专利名称：可调电容器及其制造方法
技术领域：
本发明总体上涉及可调电容器，更具体地说涉及采用了MEMS(微机电系统)技术的可调电容器以及制造这种电容器的方法。
可调电容器是电路例如变频振荡器(VCO)、可调放大器、移相器和阻抗匹配电路的关键部件。近年来，可调电容器已经越来越多地应用在便携式电话上。
与当前所用的一种可调电容器如变容二极管相比，MEMS可调电容器的优点在于损耗小并且高Q值。因此，实际MEMS可调电容器的研制已经相当活跃。
背景技术：
图1为在Jae Y.Park et al.，“MICROMACHINED RF MEMSTUNABLE CAPACITORS USING PIEZOELECTRICACTUATORS”，IEEE International Microwave Symposium，2002中所披露的可调电容器的剖视图。
该可调电容器包括可动电极衬底和固定电极衬底15。可动电极衬底11由单压电晶片型压电致动器12和可动电极13构成。固定电极16设在固定电极衬底15上。固定电极衬底11和固定电极衬底15通过焊料块14粘接。通过驱动压电致动器12，可动电极13和固定电极16之间的距离改变，从而可以改变在它们之间形成的电容。
图2A和2B为在Charles L.Goldsmith et al.，“RF MEMSVariable Capacitors for TUNABLE FILTERS”，Wiley RF MicrowaveComputer Aided Design，1999，pp.362-374中所述的可调电容器的剖视图。
参照图2A，固定电极20设在位于衬底17上的绝缘层上。介电层19覆盖着固定电极20。垫片18设在绝缘薄膜上。薄膜可动电极21由垫片18支撑，从而面对着固定电极20和介电层19。在施加dc电压的可动电极21和固定电极20之间产生静电引力。该静电引力使得薄膜可动电极21与介电层19接触。用来减小平行极板之间的间隙的静电引力F由下式表示F=S2d2ϵ0ϵrV2]]>其中S为极板的面积，d为极板之间的距离，ε0为真空中的介电常数，εr为极板之间的相对介电常数，并且V为施加在极板上的电压。在有介电层夹在这些板之间的情况中，在相对介电常数εr和距离d之间存在以下关系式 其中ε介电和ε空气分别是介电层和空气层的介电常数，d介电和d空气分别是介电层和空气层的厚度。
但是，图1中所示的传统可调电容器具有以下缺点。因为间隙由焊料块14所限定，所以难以减小在可动电极13和固定电极16之间的间隙。这使得压电致动器12的初始电容较小。可以想到增加压电致动器12的变形程度以便增加静电电容。但是，这个方法降低了该压电致动器12的弹性性能。如果在将该可调电容器安装到电子设备例如便携式电话上时受到外部冲击的话，则可能使可动电极13与固定电极16接触，从而电极13和16被短路而损坏。因此，即使通过压电致动器12的变形也不能调节该可动电极13而使之靠近固定电极16，从而不能获得所要求的电容。
图2A和2B中所示的传统可调电容具有以下缺点。在有介电层夹在平行极板之间的情况中，由于该介入的介电层所以可以获得较大的电容。但是，相对介电常数εr随着距离d变化而变化。因此，难以控制平行极板之间的距离。由此可见，可动电极21和介电层19只能呈现出两种状态，即间隔状态和接触状态。也就是说，该可调电容器只具有两个电容值。在一些情况中，用具有相对较小的电容值的多个可调电容器的并联连接来确保实现目标电容。但是，用于连接多个可调电容器的线路或互连电阻增加，这就降低了Q值(这意味着插入损耗，并且随着损耗减小而增加)。
发明概述本发明是鉴于上述情况而作出的，并且其目的在于消除上述缺点。
本发明的一个更具体的目的在于提供一种紧凑的、耐挤压可调电容器，它具有可细调的大范围以及大Q值，还提供一种制造该电容器的方法。
本发明的上述目的是通过这样一种电容器来实现的，它包括衬底；由所述衬底支撑的固定电极和可动电极；多个压电致动器，它们由所述衬底支撑并且驱动所述可动电极；以及夹在所述固定电极和可动电极之间的介电层。
本发明的上述目的还通过一种制造可调电容器的方法来实现，该方法包括以下步骤a)形成由衬底支撑的固定电极和可动电极；b)形成多个由所述衬底支撑并且用来驱动可动电极的压电致动器；c)形成夹在所述固定电极和所述可动电极之间的介电层；d)形成牺牲层以便在所述介电层与所述固定电极和可动电极中的一个之间形成间隙；e)除去所述牺牲层。
附图的简要说明从下面的详细说明并且结合附图将更加了解本发明的其它目的、特征和优点，其中图1为传统可调电容器的剖视图；图2A和2B为另一种传统可调电容器的剖视图；图3为本发明第一实施方案的可调电容器的分解透视图；图4A为在本发明第一实施方案中所采用的公共电极的透视图；图4B为在图4A中所示的公共电极的平面图；图5A、5B、5C、5D和5E为制造在图3中所示的可调电容器的方法的步骤的剖视图；图6F、6G、6H、6I和6J为该方法的在图5A-5E的一系列步骤之后的步骤的剖视图；
图7显示出一种单压电晶片元件；图8A和8B显示出一种双压电晶片元件；图9A和9B说明了本发明第一实施方案的可调电容器的效果；图10F、10G、10H、10I和10J为制造在图3中所示的可调电容器的另一种方法的一系列步骤的剖视图；图11为本发明第二实施方案的可调电容器的分解透视图；图12为沿着在图11中所示的直线XII-XII剖开的剖视图；图13为与本发明第二实施方案的变型相对应的可调电容器的分解透视图；图14为在图13中所示的可调电容器的平面图；图15为本发明第三实施方案的可调电容器的分解透视图；图16A、16B、16C、16D和16E为制造在图13和14中所示的可调电容器的方法的步骤的剖视图；图17F、17G、17H和17I为该方法的在图16A-16E的一系列步骤之后的步骤的剖视图；图18F、18G、18H和18I为制造在图13和14中所示的可调电容器的另一种方法的步骤的剖视图；图19为本发明第四实施方案的可调电容器的分解透视图；图20为沿着在图19中的直线XX-XX剖开的剖视图；图21为本发明第五实施方案的可调电容器的分解透视图；图22为在图21中所示的可调电容器的平面图；图23为本发明第六实施方案的可调电容器的分解透视图；图24为在图23中所示的可调电容器的平面图；图25为在图23中所示的可调电容器的一部分的放大透视图；图26E、26F、26G、26H、26I和26J为该方法的在图16A-16E的一系列步骤之后的步骤的剖视图；图27为本发明第七实施方案的可调电容器的分解透视图；图28为在图27中所示的可调电容器的平面图；图29为在图27中所示的可调电容器的一部分的放大透视图；
图30为本发明第八实施方案的可调电容器的分解透视图；图31为在图30中所示的可调电容器的一部分的放大透视图；图32E、32F、32G、32H、32I和32J为制造在图30中所示的可调电容器的方法的一系列步骤的剖视图；图33为本发明第九实施方案的可调电容器的分解透视图；图34为在图33中所示的可调电容器的一部分的放大透视图；图35E、35F、35G、35H、35I和35J为制造在图34中所示的可调电容器的方法的一系列步骤的剖视图。
优选实施方案的详细说明现在将参照附图对本发明的实施方案进行说明。
(第一实施方案)图3为本发明第一实施方案的可调电容器的分解透视图。绝缘层32设在衬底31上，该衬底可以例如由硅或化合物半导体构成。在衬底31的中央处形成由开口40。该开口40也形成在绝缘层32中，从而贯穿衬底31和绝缘层32。电容器包括固定电极38、可动电极39和由固定电极38支撑的介电层37。可动电极39由四个压电致动器驱动。在图3中，四个压电致动器中只有一个被分配给参考标号361。该压电致动器361包括下驱动电极331、压电元件341和上驱动电极351。下驱动电极331和上驱动电极351是成对的，并且压电元件341插入在其间，从而将这些部件结合在一起。其它压电致动器如上所述一样构成。在当前的说明书中，压电致动器361-364整个可以称为压电致动器。在这种情况中，各个压电致动器361-364可以称为驱动元件。
如图4所示，四个压电致动器361、362、363和364的下驱动电极331、332、333和334由单个公共电极41形成。换句话说，下驱动电极331、332、333和334和可动电极39形成为一体。驱动电极331、332、333和334通过可动电极39连接在一起，并且设有位于相应端部上的焊盘33a、33b、33c和33d。这些焊盘33a-33d设在位于衬底31上的绝缘薄膜32上。这些焊盘33a-33d可以与互连线连接以便在绝缘层32上形成外部接头或引出电极或电线。下驱动电极331、332、333和334和可动电极39位于形成在衬底31和绝缘层32中的开口40上方。如后面结合制造方法所述的一样，在公共电极41的背面设有绝缘薄膜。
矩形压电元件341、342、343和344分别设置在下驱动电极331、332、333和334上，可以由基于PZT(锆钛酸铅)的压电物质构成，并且具有沿着与用于驱动的电场垂直的方向膨胀和收缩的特性。单独设置的上驱动电极351、352、353和354分别设在压电元件341、342、343和344上。当在下驱动电极331、332、333和334和上驱动电极351、352、353和354上施加电压时，压电元件341、342、343和344变形，从而可动电极39可以沿着与衬底31基本上垂直的方向移动。
如图3所示，固定电极38具有两个弯曲部分38a和38b，从而固定电极38的居间部分跨在可动电极39上面。固定电极38的两侧设置在绝缘层32上。介电层37附着在固定电极38的介于弯曲部分38a和38b之间的内表面上。该介电层37的尺寸小于由上驱动电极351、352、353和354包围的空间。平板状部件可以形成固定电极38。在这个情况中，可以沿着衬底31的纵向方向在绝缘层32上设置两个垫片，从而将可动电极39夹在其中。固定电极38的平板状部件安装在这些垫片上。
图6J为沿着在图3中所示的直线VI-VI剖开的剖视图。要注意的是，图5A-5E和图6F-6J显示出制造在图3中所示的可调电容器的方法。参照图6J，该图显示出压电致动器361以及由下驱动电极333、压电元件343和上驱动电极353构成的压电致动器363。压电致动器361和363和可动电极39独立地位于形成在衬底31中的开口40上方。其它压电致动器362和364的构成与致动器361和363一样。由固定衬底38支撑的压电层37位于由四个压电致动器361至364所包围的空间内，并隔着一间隙42面对着可动电极39。通过驱动压电致动器361至364，可动电极39可以从在图6J中所示的状态变形成可动电极39接触介电层37的另一种状态。该变形改变了固定电极38和可动电极39之间的距离，因此改变了电容。由于介电层37介于固定电极38和可动电极39之间，所以介电常数也改变，从而固定电极38和可动电极39之间的电容可以大大改变。
图7的示意图显示出压电致动器361的操作。压电致动器361是一种由下驱动电极331、压电元件341和上驱动电极351构成的单压电晶片元件。该压电元件341沿着由箭头所示的方向极化。该压电元件341类似于悬臂。在下驱动电极331和上驱动电极351上施加dc电压V，压电元件341在固定电极38上的部分沿着压电常数d31的方向收缩，并且其它部分膨胀。这样，压电致动器361如图7所示变形。当在在图4中所示的压电致动器361的焊盘33a一侧施加dc电压时，其另一侧(在该侧面，下驱动电极331与可动电极39连接)上升，与下驱动电极331一体形成的可动电极39朝着介电层37移动。同样，其它压电致动器362-364使可动电极39上升。因此，可动电极39靠近介电层37。因此，可以控制该间隙，从而可以调节该电容。即使在压电致动器361-364变形从而使可动电极39与介电层37接触时，上驱动电极351-354也不会接触固定电极38。
应该满足下面条件中的任一个以便通过在图7中所示的结构实现上述操作。下驱动电极331和上驱动电极35由不同的材料制成。更具体地说，下驱动电极331由杨氏弹性模量小于上驱动电极351的材料制成。例如，下驱动电极331由含有铂的金属制成，并且上驱动电极351由氧化钌(RuO2)制成。在下驱动电极331和上驱动电极351由相同材料制成的情况中，这些电极设计成具有不同的厚度(下驱动电极331比上驱动电极351更厚)。例如，下驱动电极331设计成其厚度等于上驱动电极351厚度的2-5倍。除上述手段外，将与驱动电极不同的层加到下驱动电极331或上驱动电极351上。例如，将一绝缘薄膜加到下驱动电极331上。这种手段可与前述手段共同使用。如将在下面所述的一样，根据本发明的第一实施方案，下驱动电极331形成在绝缘薄膜32上，并且是铂/钽(Pt/Ta)或铂/钛(Pt/Ti)的叠层，而上驱动电极351由氧化钌制成。
压电致动器361-364不限于单压电晶片，而可以是在图8A中所示的并联连接的双压电晶片或者是在图8B中所示的串联连接的双压电晶片。在图8A和8B中，设有压电元件341a和341b以便将居间电极43夹在其间。每个压电元件341a和341b沿着由箭头所示的方向极化。下驱动电极331用于压电元件341a，而上驱动电极351用于压电元件341b。当如图8A和8B所示施加dc电压时，这些双压电晶片元件变形。
图9A和9B显示出本发明的效果。如图9A所示，d介电代表介电层37的厚度，而d空气代表位于介电层37和可动电极39之间的空气层的厚度。位于固定电极38和可动电极39之间的距离d为d＝d介电+d空气。图9B显示出作为而作为空气层的厚度d空气的函数的电容C[F]由于驱动可动电极39而发生的变化。可动电极39和固定电极38为方形，面积为230μm×230μm。厚度d空气等于0.75μm，并且d/d空气等于0.4。介电层37由氧化铝构成(Al2O3ε＝10)。在图9A中所示的可动电极39是在图4B中所示的尺寸的公共电极41的一部分。压电致动器361-364的结构如下。上驱动电极351-354由铂构成并且厚度为0.5μm。压电元件341-344由PZT构成，并且厚度为1.0μm。下驱动电极331-334由铂构成并且厚度为2.0μm。绝缘层32由Si3N4构成，并且厚度为2.0μm。
采用其中已经除去了介电层37的比较实施例。在图9B中显示出该比较实施例的电容的变化。如在该图所示，设有介电层37的可调电容器在初始状态中具有大约为1.36pF的电容(在该状态中可变电极39没有变形)，并且在可动电极39与介电层37接触的状态中其电容大约为10.4pF。这两个状态之间的电容比大约为7.6倍，并且增加的电容ΔC大约为660％。相反，该比较实施例只具有较小的电容变化。从上面可以看出，根据本发明第一实施方案的可调电容器具有非常大的电容和非常宽的可调范围。由于可变电极39是由压电致动器361-364的膨胀和收缩来控制的，所以空气层的厚度d空气可以连续改变，从而可以实现电容的细微调节。
当前实施方案的可调电容器具有固定电极38、可动电极39和压电致动器361-364，它们由单个衬底31支撑。因此，该可调电容器是紧凑且廉价的。由于介电层37由固定电极38支撑，所以可动部分的质量只是可变电极39的质量。这就提高了该可调电容器的抗冲击性。另外，介电层37的存在避免了在可动电极39和固定电极38之间出现短路的可能性，并且防止可变电容器击穿。
下面将参照图5A-5E以及6F-6J对制造根据本发明第一实施方案的上述可调电容器进行说明。在下面，虽然是通过图解说明说明压电致动器363，但是同时也形成了其它压电致动器。图5A-5E和图6F-6J为沿着在图3中所示的直线VI-VI剖开的剖视图。
如图5A所示，通过LPCV(低压化学汽相沉积)将低应力氮化硅的绝缘层32形成在由硅制成的衬底31上。
接下来，如图5B所示，可动电极39和下驱动电极333(每个都是Pt/Ti(铂/钛)的叠层)同时在绝缘层32上光刻沉积和形成图案。Pt/Ti层的厚度分别为450μm(4500)和50μm(500)。通过RIE(反应离子蚀刻)采用基于Cl2O2(氯气/氧气)的气体来形成图案。当然，其它下驱动电极331、332和334也同时形成和形成图案。
然后，如图5C所示，通过溅射、溶胶凝胶法、MOCVD(有机金属CVD)或激光剥蚀(laser abrasion)工艺来沉积压电元件343。压电元件343可以由例如铌酸锂、钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅或钛酸铋构成。通过RIE采用基于Cl2O2的气体进行图案形成。
之后，如图5D所示，沉积由氧化钌或铂构成的上驱动电极353并形成图案，并且在650-750℃下进行退火。然后，使绝缘层32成图案。这样，形成单压电晶片型压电致动器363，该致动器由下驱动电极333、压电元件343和上驱动电极353构成，这些层以上述次序形成在绝缘层32上。所述压电致动器363可以定义为包括所述绝缘层32、所述下驱动电极333、所述压电元件343和所述上驱动电极353。上述退火工艺可以在形成压电元件343之后并且在形成上驱动电极353之前进行。
然后，如图6F、6G和6H所示，依次形成由抗蚀剂组成的牺牲层44、介电层37和固定电极44。之后，除去牺牲层44，从而在介电层37和可动电极39之间可以形成间隙42。优选的是，介电层37可以由例如氧化铍、氧化铝、氮化铝、钛酸钡、钛酸镁、氧化钛、玻璃或氮化硅组成。抗蚀剂可以是基于聚酰亚胺的抗蚀剂(可以通过抗蚀剂除去液除去)、金属氧化物例如氧化镁(MgO)(可以通过乙酸溶液除去)或者金属氧化物(可以通过氢氟酸除去)例如PSG(磷硅酸盐玻璃)。牺牲层44例如厚0.3μm。
最后，对位于压电致动器363和可动电极39下方的绝缘层32的周边中的衬底31从其底侧进行RIE，从而可以形成开口40。这样形成的可调电容器具有可动电极39和位于下面的绝缘层32，它们由衬底31通过压电致动器363支撑。当衬底31由硅构成时，可以通过深度RIE(deep-RIE)形成开口40。在该情况中，采用SF6(六氟化硫)为蚀刻气体，用于形成开口40的掩模是抗蚀剂。用于压电致动器的层形成在在硅衬底31的(100)或(110)面上，并且进行各向异性蚀刻。蚀刻剂例如是氢氧化钾(KOH)，并且掩模可以由SiO2、Si3N4、Cr或Au构成。
上述工艺在图5D的步骤进行热处理或退火之后形成牺牲层44和固定电极38。因此，可以选择牺牲层44和固定电极38的材料而不管退火的条件。在前面，可动电极39和压电致动器361-364是同时形成的。可以使用另一种可选工艺，其中，仅形成上驱动电极351-354并对其退火，之后形成例如由Cu或Au组成的可动电极。由于该可选工艺在对压电致动器进行退火之后形成可动电极39，所以可以降低布线电阻。
图10F-10J显示出上述制造方法的变型。该变型用来有效并且高效率地除去牺牲层44。图10F-10J的步骤分别代替了图6F-6J中的步骤。图10F的步骤在图5E的步骤之后。如图10F所示，将抗蚀剂牺牲层44沉积在可动电极39上。
接下来，如图10G所示，形成介电层37并且在其中形成多个蚀刻孔45。以这样的方式形成蚀刻孔45在介电层37上形成掩模，然后对该掩模进行蚀刻。例如，这些蚀刻孔45以矩阵形式排列。这些蚀刻孔45可以具有相同的尺寸或不同的尺寸。在图10G中所示的实施例中，位于中央的蚀刻孔45c的直径或尺寸大于位于蚀刻孔45c周边的蚀刻孔。牺牲层44的中央部分通过这些蚀刻孔45除去。在这种情况中，在中央的蚀刻孔45c具有相对较大的尺寸，并且有利于牺牲层44的除去。
然后，如图10H所示形成固定电极38，并且采用具有与图10G的工艺的掩模相同的图案的掩模在固定电极38中形成延续到蚀刻孔45的蚀刻孔46。之后，如图10I所示，除去牺牲层44。在那时，如由箭头所示一样，不仅沿着固定电极38的侧面而且还通过蚀刻孔将牺牲层44除去。因此可以更有效且更高效率地除去该牺牲层44。
最后，如图10J所示，对位于压电致动器363和可动电极39下面的绝缘层32的周边的衬底31从其底侧进行RIE，从而可以形成开口30。这样形成的可调电容器具有可动电极39和下面的绝缘层32，它们由衬底31通过压电致动器361-364(更具体地说，下可动电极331-334)支撑，其中贯穿固定电极38和介电层37的按行列布置。该可动电极39由衬底31通过压电致动器361-364支撑。
(第二实施方案)图11是根据本发明第二实施方案的可调电容器的分解透视图。图12为沿着在图11中所示的直线XII-XII剖开的剖视图。
本发明的第二实施方案具有这样一种布置，其中介电层37设在可动电极39上。第二实施方案的其它部分与第一实施方案的相应部分一样。虽然设在可动电极39上的介电层37的布置与第一实施方案相比可能稍微降低耐冲击性，该第二实施方案具有第一实施方案的所有其它优点。在图11和12中所示的可调电容器可以通过对本发明的第一实施方案的方法进行稍微改变来制造。更具体地说，图6F和6G的步骤相互交换。也就是说，在图6F中形成介电层37而不是牺牲层44，并且在图6G中形成牺牲层44而不是介电层37。剩下的步骤与前面所述的步骤相同。已经参照图10F-10J描述的蚀刻孔可以用在如图11和12中所示的可调电容器中。在图10F中，形成介电层37而不是牺牲层44。在图10G中，形成牺牲层44而不是介电层37。在图10H中，在固定电极38中形成蚀刻孔46。剩下的步骤与第一实施方案的相应步骤相同。
图13为本发明第二实施方案的变型的分解透视图，并且图14为其平面图。在这些图中，与在前面所述的附图中所示相同的部件用与前面一样的参考标号来表示。
上述第二实施方案采用单独的上驱动电极351-354，而在图13和14中所示的可调电容器采用了公共电极48。该公共电极48具有布置在压电元件341-344上的臂部分和连接这些臂部分的连接部分。该公共电极48与焊盘49连接，该焊盘一体地形成并且用于形成外部接头。焊盘49形成在位于衬底31上的绝缘层32上。焊盘50位于相对的侧面上，从而固定电极38夹在焊盘49和50之间。焊盘50形成在绝缘层32上。焊盘50与压电致动器361-364的可动电极39和下驱动电极331-334连接。固定电极38在其两侧沿纵向有焊盘47。这些焊盘47用来形成与固定电极38连接的外部接头。这样形成的变型具有与本发明第二实施方案相同的功能和优点。
公共电极48可以应用在本发明的第一实施方案上。还有，焊盘47、49和50可以应用在本发明的第一实施方案上。焊盘47、48和50具有相对较宽的面积，这就改善了形成外部接头的可操作性。
(第三实施方案)图15为根据本发明第三实施方案的可调电容器的分解透视图。本发明具有这样的布置，其中固定电极设置在衬底一侧。在下面的说明书中，与图15一起参照图17I。图17I为沿着直线XVII-XVII剖开的剖视图。图16A-16E和17F-17I显示出制造在图15中所示的可调电容器的方法。
绝缘层32设在衬底31上。衬底31具有开口40。绝缘层32设置成跨在开口40上。换句话说，绝缘层32以隔膜的方式设置。这与在本发明的第一实施方案中所采用的绝缘层不同。该电容器包括固定电极52、可动电极59和由固定电极52支撑的介电层57。可动电极59由四个压电致动器驱动。在图17I中，只显示出两个压电致动器561和563，剩下两个压电致动器562和564没有显示出。压电致动器561为单压电晶片型，由下驱动电极531、压电元件541和上驱动电极561构成。同样，如图17I所示，压电致动器563由下驱动电极533、压电元件543和上驱动电极563构成。下驱动电极533隔着绝缘薄膜32位于形成在衬底31中的开口上方。其它压电致动器561、562和564其结构如上述一样。
固定电极52设在绝缘层32上。固定电极52是平坦的并且因此与固定电极38不同。介电层57设在固定电极52上。可动电极59设置成通过空气层面对着介电层57。可动电极59是公共电极58的一部分。公共电极58包括上驱动电极551、552、553和554，并且延续到可动电极59。单独的下驱动电极531、532、533和534设置成面对着上驱动电极551、552、553和554。这些下驱动驱动电极531、532、533和534与位于绝缘层32上的相对较宽的焊盘一体形成。
本发明的第三实施方案具有与其第一实施方案相同的功能。当将电压施加在下驱动电极531、532、533和534和上驱动电极551、552、553和554上时，这些压电元件541-544沿着d31方向收缩。这个收缩使可动电极59朝着固定电极52移动，从而可动电极59和固定电极52之间的距离可以改变。居间的介电层47改变介电常数，从而大大改变了在可动电极59和固定电极52之间的静电电容。
根据本发明第三实施方案的可调电容器具有非常大的电容和非常大的可调范围。由于可动电极59是通过压电致动器561-564的扩展/收缩来控制的，所以可以连续地改变空气层的厚度d空气，从而可以实现电容的细微调节。具体地说，当可动电极59越来越靠近介电层57时，电容变化更大，并且在这时所获得的Q值非常大。
由于固定电极52、可动电极59、介电层57和压电致动器561-564由同一(单个)衬底31支撑，所以该可调电容器是紧凑且廉价的。另外，由于固定电极52支撑着介电层57，所以可动部件的质量只是可动电极59的质量，并且抗冲击性优良。另外，介电层57的存在避免了在可动电极59和固定电极52之间出现短路的可能性，并且防止该可调电容击穿。
下面将参照图16A-16E和17F-17I对制造本发明第三实施方案的可调电容的方法进行说明。图16A-16E和17F-17I为沿着图15中所示的直线XVII-XVII剖开的剖视图。
首先，如图16A所示，将氮化硅或氧化硅的绝缘层32形成在硅衬底31上。接下来，如图16B和16C所示，通过光刻技术在绝缘层32上形成固定电极52和介电层57。
然后，如图16D所示，将由抗蚀剂构成的牺牲层60形成在整个表面上，并且如图16E、17F和17G所示形成由下驱动电极531、压电元件541和上驱动电极551构成的单压电晶片压电致动器563。当然，其它压电致动器561、562和564也同时形成。另外，同时形成可动电极59。
然后，如图17H所示，除去牺牲层60，从而可以限定在介电层57和可动电极59之间的间隙。然后对压电元件541-544进行退火。
最后，如图17I所示，用RIE设备从衬底31的背面对位于可动电极59下面的绝缘层32的周边的衬底31进行蚀刻。因此，固定电极52和下面的绝缘电极32以隔膜的方式受到支撑。这样，可以获得该可调电容器。
虽然没有如在本发明第一实施方案的情况中一样显示出，但是即使在使压电致动器561-564变形从而使可动电极59与介电层57接触时，上驱动电极551-554和固定电极52也不会相互接触。
图18F-18I显示出上述制造方法的变型。该变型用来方便牺牲层60的除去。图18F-18I显示出代替图17F-17I的那些步骤的步骤。图18F的步骤在图17E的步骤之后。如图18F所示，依次在牺牲层60上形成下驱动电极533和压电元件543。如图18G所示，形成上驱动电极553和可动电极59，并且在电极59中形成例如以矩阵形式布置的蚀刻孔。
然后，如图18H所示，除去牺牲层60，从而在介电层57和可动电极59之间形成间隙。之后，对压电元件541-544进行热处理。不仅沿着可动电极59的侧面而且通过蚀刻孔61来有效且高效地进行牺牲层60的去除。最后，如图18I所示，用RIE设备从衬底31的背面对位于可动电极59下面的压电致动器561-564和绝缘层32的周边的衬底进行蚀刻。因此，固定电极52和下面的绝缘层32以隔膜的方式形成。这样，可以获得该实施方案的可调电容器。
(第四实施方案)图19为根据本发明第四实施方案的可调电容器的分解透视图。图20为沿着在图19中所示的直线XX-XX剖开的剖视图。
该实施方案具有这样一种布置，其中介电层57附着在可动电极59的内壁上。其它部分的结构如上述本发明的第三实施方案一样。由于介电层57由可动电极59支撑，所以抗冲击性可能稍微削弱。但是，该第三实施方案的其它优点对于第四实施方案也适用。这样构成的可调电容器可以通过改变在图16A-16E和17F-17I中所示的工艺来制造，从而首先形成牺牲层60，然后形成介电层57。
(第五实施方案)图21为根据本发明第五实施方案的可调电容器的分解透视图，图22为其平面图。在图21和22中，与在前面所述的附图中所示的那些相同的部件用与前面相同的参考标号来表示。
根据本发明的第五实施方案，固定电极52位于衬底31上。公共电极52包括可动电极59、上驱动电极551-554以及用于形成外部接头的焊盘72和73。这些焊盘72和73关于可动电极59对称，并且斜对地布置。四个压电致动器的下驱动电极具有带焊盘74的公共电极和带焊盘75的公共电极。带焊盘74的公共电极有两个下驱动电极。这些下驱动电极中的一个笔直延伸并且具有折叠部分，另一个下驱动电极弯曲以便形成“L”形，并且沿着衬底31的短边延伸。焊盘74和75布置在可动电极59的另一条对角线上。介电层57设在固定电极52上。
焊盘47、48和50具有相对较宽的面积，这就改善了形成外部接头的可操作性。制造在图21和22中所示的可调致动器的方法是在图16A-18I中所示的工艺的简单变型，并且其说明将在这里被省略。
(第六实施方案)图23是根据本发明第六实施方案的可调电容器的分解透视图，并且图24为其平面图。图25为在图23和24中所示的一部分可调电容器的放大透视图。
该可调电容器具有衬底131、四个压电致动器1361-1364、可动电极139、介电层137和固定电极138。固定电极138具有跨可动电极139的部分138a。此后，该部分称为跨越部分。该跨越部分138a的形状与可动电极139几乎一样，并且设置成隔着介电层137面对着可动电极139。换句话说，固定电极138的跨越部分138a只面对着可动电极139。固定电极138的一个支撑部分138b相对于压电致动器1361一1364延伸的方向倾斜布置，并沿着可动电极四个边中的相应边设置。跨越部分138a相对于焊盘部分138c倾斜地设置，所述焊盘部分还用来支撑该跨越部分138a。该跨越部分138a根本不是跨在压电致动器1361-1364上。
通过固定电极138可以消除以下问题。如果跨越部分太长以致于不能跨在可动电极以外的区域上的话，则该可调电容器容易受到在形成固定电极时出现的残余应力和在清洗之后形成的表面张力的影响。因此，跨越部分会朝着可动电极或沿着相反的方向变形。因此不再能够使固定和可动电极之间的间隙保持恒定。这使得静电电容分散并且降低了生产率。具体地说，在拉伸应力在固定电极中保留为残余应力的情况中，形成压电致动器的上驱动电极和固定电极之间的间隙减小，并且可能相互接触。这会损坏压电致动器、可动电极或固定电极。另外，在固定电极跨越任何压电致动器的情况中，在固定电极和被跨越的压电致动器之间会形成寄生电容。
相反，根据本发明的第六实施方案，跨越可动电极9的固定电极138的跨越部分138a相对较短，并且在机械结构比较坚固。因此，可以避免在形成固定电极时的残余应力和清洗中的表面张力的影响，并且因此实现静电电容分散性较小的可调电容器并且提高了生产率。另外，因为固定电极138没有跨越压电致动器1361-1365，所以不会存在任何寄生电容。
根据本发明第六实施方案的可调电容器的其它部分的结构如下。介电层137附着在跨越部分138a上。开口140形成在衬底131中从而面对着可动电极139的背面(图25)。压电致动器1361由下驱动电极1331、压电元件1341和上驱动电极1351构成。同样，压电致动器1362、1363和1364分别由下驱动电极1332、1333和1334、压电元件1342、1343和1344以及上驱动电极1352、1353和1354构成。可动电极139和下驱动电极1331-1334一体形成为公共电极。该公共电极具有焊盘139a和139b，这些焊盘用来形成外部接头并且设在绝缘层132上。上驱动电极1351-1355形成为一体并且与一体形成的焊盘148连接以便形成外部接头。
图26E-26J为制造根据本发明第六实施方案的可调电容器的方法的步骤的剖视图，这些剖视图是沿着在可调电容器的短边中延伸的直线剖开取得的。图26E的步骤在图5D的步骤之后。为了简化，图26E-26J中省略了这些压电致动器。另外，已经说明过的工艺条件和材料的说明在这里也将省略。
参照图26E，可动电极139形成在绝缘层132上，该层包括通过制作图案而形成的沟槽143。该可动电极139形成在由沟槽143包围的绝缘层上的一个区域上。
如图26F所示，牺牲层144形成在可动电极139上。在该工艺中，牺牲层144沉积在沟槽143中。
然后，如图26G所示，将介电层137形成在牺牲层144上。
之后，如图26H所示，将固定电极138形成在介电层137和绝缘层132上。
然后，如图26I所示，对衬底131进行蚀刻以便在可动电极139下面形成开口140。
最后，如图26J所示除去牺牲层144。
在图26G和26H的工艺中，优选形成多个蚀刻孔，例如参照图10G和10H所述的那些。这些蚀刻孔有利于在图26J的工艺中更有效且更高效率地除去牺牲层144。
(第七实施方案)图27为根据本发明第七实施方案的可调电容器的分解透视图，并且图28为其平面图。图29为在图27中所示的可调电容器的一部分的放大透视图。在这些图中，与在图23-25中所示的那些相同的部件用与前面相同的参考标号来表示。
该可调电容器除了上述衬底131、四个压电致动器1361-1364、可动电极139和介电层137之外还包括固定电极238。固定电极238具有与第六实施方案不同的结构。该固定电极238包括跨越部分238a、支撑部分238b、焊盘部分238c(它用来支撑跨越部分238a)以及支撑部分238d和238e。跨越部分238在四个位置由位于衬底131上的绝缘层上面的支撑部分238b、238c、238d和238e支撑。支撑部分238b-238e沿着可动电极139的四个边布置。固定电极238与通过将支撑部分238d和238e加入到在图23-25中所示的固定电极138的两个侧面上而获得的变型相对应。由于这些跨越部分在四个位置受到支撑，所以可以进一步提高强度。该跨越部分238a可以进行改变以便在三个或五个位置或更多位置受到支撑。
(第八实施方案)图30为根据本发明第八实施方案的可调电容器的分解透视图，并且图31为在图30中所示的可调电容器的一部分的放大透视图。在这些图中，与在图23-25中所示的那些相同的部件用与前面相同的参考标号来表示。
可调电容器除了上述衬底131、四个压电致动器1361-1364、可动电极139和固定电极138之外还包括介电层237。该介电层237的结构与在本发明的第六实施方案中所采用的结构不同。该介电层237与固定电极138的跨越部分138a一样跨越可动电极139。介电层237沿着两个相对边具有支撑部分237a和237b。支撑部分237a和237b设在衬底131上并且由它支撑。支撑部分237a和237b加强了跨越部分138a的强度。
图32E-32J显示出制造在图30和31中所示的可调电容器的方法。图32E的步骤在图5D的步骤之后。为了简化，从图32E-32J中省略了压电致动器。另外，已经说明过的工艺条件和材料的说明在这里将被省略。
如图32E所示，可动电极139设在绝缘层132上，该层具有通过制作图案形成的沟槽143。可动电极139形成在绝缘层132上的由沟槽143包围的区域上。
接下来，如图32F所示，在可动电极139上形成牺牲层144。在该工艺中，将牺牲层144沉积在沟槽143中。
然后，如图32G所示，在牺牲层144上形成介电层237。该介电层237的侧面部分进入沟槽143，并且接触绝缘层132。
之后，如图32H所示，在介电层237和绝缘层132上形成固定电极138。
然后，如图32I所示，对衬底131进行蚀刻以便在可动电极139下面形成开口140。
最后，如图32J所示除去牺牲层144。
在图32G和32H中的工艺中，优选的是形成多个蚀刻孔，例如已经参照图10G和10H说明过的那些蚀刻孔。这些蚀刻孔有利于在图32J的工艺中更有效且更高效率地除去牺牲层144。
(第九实施方案)图33为根据本发明第九实施方案的可调电容器的分解透视图，并且图34为在图33中所示的可调电容器的一部分的放大透视图。在这些图中，与在图27-29中所示的那些相同的部件用与前面相同的参考标号来表示。
该可调电容器除了上述衬底131、四个压电致动器1361-1364和可动电极139之外还包括介电层237A和固定电极238。该介电层237A的结构与第七实施方案的介电层137和第八实施方案的介电层237的结构不同。该介电层237A与通过将支撑部分237c和237c加到介电层237的两边上而形成的变型相对应。介电层237A在四个位置被支撑在衬底131上，并跨越可动电极139。由于固定电极238和介电层237A都在四个位置被支撑在衬底138上，所以可以进一步提高该跨越部分的强度。该介电层237A可以进行改变以在三个或五个位置或更多位置受到支撑。
(其它实施方案)在本发明的上述实施方案中所采用的固定电极具有单层结构。这些固定电极可以具有多层结构。要注意的是，薄膜中的残余应力主要取决于形成薄膜的方法和沉积条件。因此，可以通过依次形成其中出现拉伸应力的一层和其中出现收缩应力的另一层的叠层来缓解固定电极中的残余应力。这有助于抑制固定电极和可动电极之间的间隙的漂移(dispersion)。
图35E-35J显示出本发明第六实施方案的变型，其中固定电极138由两层1381和1382构成。在图35H的工艺中，依次叠层这两层1381和1382。这两层1381和1382可以是导电层或导电层和绝缘层的组合。一般来说，拉伸应力容易在Cu、Al、Ti、Cr、Mo、Ni、Au或Pt中形成，并且收缩应力容易在SiO2、Al2O3、Ru或Ta中形成。通过将一层或多层具有拉伸应力的薄膜和一层或多层具有收缩应力的薄膜结合在一起并且改变薄膜厚度，可以在整体上缓解在固定电极中的残余应力。
在图35H的步骤中，例如，利用磁电管溅射设备在0.64Pa的气压下用1kV的电压将Cu沉积至1μm厚，并且将SiO2沉积至0.3μm厚。
固定电极可以由三层或更多层形成。在固定电极由三层构成的情况中，其中一层可以是导电层，并且剩余层是绝缘层。总之，重要的是，要适当地将由不同材料构成的多层结合在一起，从而在整体上降低残余应力。
即使在固定电极由单层形成时，在包括附着在其上的介电层的整个跨越部分其残余应力也可以得到缓解。例如，当在图26中所示的固定电极由Cu构成(拉伸应力)并且介电层137由Al2O3构成(收缩应力)时，可以缓解整个跨越部分中的残余应力。
在本发明的第一至第九实施方案中所采用的固定电极可以是如图35A-35J中所示的情况中的由不同层构成的叠层。
叠层固定电极增加了其厚度，并且增加的厚度加强了跨越部分的强度。另外，可以增加选择用于固定电极的材料的自由度。另外，可以降低布线电阻，并且可以提高Q值。
本发明并不限于具体所披露的实施方案和变型，而是可以包括其它实施方案、变型和改进。例如，压电致动器可以如此被驱动，从而使可动电极和介电层(或固定层)之间的间隙变窄。或者，这些压电致动器可以如此构成和驱动，从而使可动电极和介电层之间的间隙加宽(降低了静电电容)。在这个情况中，在图7A和7B中所示的单压电晶片型压电致动器改变成沿着相反的方向变形。这可以通过沿着相反方向使压电元件极化并且使所施加的电压V的极性倒转来实现。
本发明的第一至第九实施方案的可调电容器可以用陶瓷或任意其它材料进行封装。设在该封装上的外部连接端子通过导线或焊块与位于可调电容器的衬底上的焊盘连接。
本发明是以于2002年3月25日和2002年9月4日申请的日本专利申请Nos.2002-084600和2002-258559为基础，并且这些专利文献的全文在这里被引用作为参考。
权利要求
1.一种可调电容器，它包括衬底；由所述衬底支撑的固定电极和可动电极；多个压电致动器，它们由所述衬底支撑并且驱动所述可动电极；以及介于所述固定电极和可动电极之间的介电层。
2.如权利要求1所述的可调电容器，其中所述介电层由所述固定电极和可动电极中的一个支撑。
3.如权利要求1所述的可调电容器，其中每个压电致动器包括一对电极和介于它们之间的压电元件，并且位于衬底上方的空间中。
4.如权利要求3所述的可调电容器，其中所述电极对和压电元件结合在一起。
5.如权利要求1所述的可调电容器，其中所述介电层附着在所述固定电极上，并且隔着空气层面对着可动电极。
6.如权利要求1所述的可调电容器，其中所述介电层附着在所述可动电极上，并且隔着空气层面对着固定电极。
7.如权利要求1所述的可调电容器，其中所述固定电极包括跨可动电极的跨越部分，并且附着在该跨越部分上的介电层隔着空气层面对着所述可动电极。
8.如权利要求1所述的可调电容器，其中所述固定电极包括跨可动电极的跨越部分，并且附着在所述可动电极上的介电层隔着空气层面对着所述固定电极。
9.如权利要求1所述的可调电容器，其中所述固定电极设在位于衬底上的绝缘层上；所述介电层设在所述固定电极上；并且所述可动电极隔着空气层面对着介电层。
10.如权利要求1所述的可调电容器，其中所述固定电极形成在位于衬底上的绝缘层上，并且介电层附着在可动电极上并且隔着空气层面对着固定电极。
11.如权利要求1所述的可调电容器，其中所述固定电极由衬底通过位于该衬底上的绝缘层支撑。
12.如权利要求1所述的可调电容器，其中所述压电致动器为单压电晶片型。
13.如权利要求1所述的可调电容器，其中所述压电致动器为双压电晶片型。
14.如权利要求1所述的可调电容器，其中所述固定电极和可动电极具有相应的焊盘，这些焊盘设置在衬底上的绝缘层上。
15.如权利要求1所述的可调电容器，其中所述压电致动器包括驱动元件，每个驱动元件包括一对电极和介于它们之间的压电元件；这对电极包括用于外部接头的焊盘；并且所述焊盘设在位于衬底上的绝缘层上。
16.如权利要求1所述的可调电容器，其中每个压电致动器具有相应一对电极，并且每个压电致动器的其中一个电极共同连接在可动电极上。
17.如权利要求1所述的可调电容器，其中每个压电致动器具有相应一对电极，并且每个压电致动器中的其中一个电极是单独的电极。
18.如权利要求1所述的可调电容器，其中所述压电致动器具有多个公共电极，每个公共电极是每个压电致动器的一对电极中的一个。
19.如权利要求1所述的可调电容器，其中所述固定电极具有跨可动电极的跨越部分，并且该跨越部分的形状与可动电极的形状大致相同，并且该跨越部分隔着介电层面对着可动电极。
20.如权利要求1所述的可调电容器，其中所述固定电极具有跨可动电极的跨越部分；所述跨越部分的形状与可动电极的形状大致相同，并且该跨越部分隔着介电层面对着可动电极；并且所述固定电极具有三个或更多个支撑部分，这些支撑部分设置在位于衬底上的绝缘层上。
21.如权利要求1所述的可调电容器，其中所述固定固定电极具有跨可动电极的跨越部分；所述跨越部分的形状与可动电极的形状大致相同，并且该跨越部分隔着介电层面对着可动电极；并且所述介电层附着在固定电极上并且跨所述可动电极。
22.如权利要求1所述的可调电容器，其中所述固定电极具有一种多层结构，该结构包括其中形成拉伸应力的第一层和其中形成收缩应力的第二层。
23.如权利要求1所述的可调电容器，其中所述介电层由氧化铍、氧化铝、氮化铝、钛酸钡、钛酸镁、氧化钛、玻璃或氮化硅中任一种材料构成。
24.如权利要求1所述的可调电容器，其中所述可动电极在从第一状态到第二状态的范围中移动，在第一状态中，其中在所述介电层和所述固定层之间或在所述介电层和可动层之间存在空气层，在第二状态中，所述固定电极、所述介电层和所述可动电极相互接触。
25.如权利要求1所述的可调电容器，其中所述介电层附着在所述固定电极上，并且所述介电层和所述固定电极具有从中贯穿的通孔。
26.如权利要求1所述的可调电容器，其中所述介电层附着在所述固定电极上，并且所述可动电极具有从中贯穿的通孔。
27.如权利要求1所述的可调电容器，其中所述压电致动器设有四个。
28.如权利要求1所述的可调电容器，其中所述衬底具有开口，并且所述固定电极、可动电极、介电层和压电致动器设置在所述开口上方。
29.如权利要求1所述的可调电容器，其中所述衬底具有开口，并且所述可调电容器包括跨越所述开口的绝缘层。
30.一种制造可调电容器的方法，该方法包括以下步骤a)形成由衬底支撑的固定电极和可动电极；b)形成多个由所述衬底支撑并且用来驱动可动电极的压电致动器；c)形成介于所述固定电极和所述可动电极之间的介电层；d)形成牺牲层以便在所述介电层与所述固定电极和可动电极中的一个之间形成间隙；并且e)除去所述牺牲层。
31.如权利要求30所述的方法，还包括在除去牺牲层之前在牺牲层上的一层中形成蚀刻孔的步骤。
32.如权利要求30所述的方法，其中所述步骤d)在可动电极上形成牺牲层。
33.如权利要求30所述的方法，其中所述步骤d)在介电层上形成牺牲层。
34.如权利要求30所述的方法，还包括在除去牺牲层之前在该牺牲层上的介电层和固定电极中形成蚀刻孔的步骤。
35.如权利要求30所述的方法，还包括在除去牺牲层之前在该牺牲层上的可动电极中形成蚀刻孔的步骤。
36.如权利要求30所述的方法，还包括通过在这样的位置进行蚀刻来在衬底中形成开口的步骤使得至少可动电极和压电致动器位于开口上方。
37.如权利要求36所述的方法，其中所述衬底包含硅；通过深度反应离子蚀刻来对所述衬底进行蚀刻，其中采用了六氟化硫蚀刻气体，蚀刻掩模由抗蚀剂构成。
全文摘要
本发明公开了一种可调电容器及其制造方法。可调电容器包括衬底、由该衬底支撑的固定电极和可动电极、由衬底支撑并且用来驱动可动电极的压电致动器以及介于固定电极和可动电极之间的介电层。
文档编号H01L41/09GK1447453SQ0310823
公开日2003年10月8日 申请日期2003年3月25日 优先权日2002年3月25日
发明者岛内岳明, 今井雅彦, 中谷忠司, 宫下勉, 佐藤良夫 申请人:富士通媒体器件株式会社, 富士通株式会社