专利名称：电容式mems元件及其制造方法、高频装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电容式MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems微机电系统)元件及其制造方法。进而，本发明还涉及安装有上述电容式MEMS元件的高频装置。电容式MEMS元件是通过使电容值可变而接通/断开(ON/OFF)高频电信号的元件。并且，适用于从数MHz到数THz的高频电信号。
背景技术：
以往，作为接通/断开电信号的小型机电零件，众所周知有MEMS元件。
尤其是作为应用于接通/断开高频信号的高频开关的MEMS元件，例如，有在J.J.Yao.，TOPICAL REVIEW“RF MEMS from a deviceperspective.”J.Micromech.Microeng.10(2000)R9-R38.(特别地，R13，figure5)(文献1)公开的电容式(静电驱动式)MEMS元件，和在H.A.C Tilmams.，“RF-MEMS metal contact capacitive switches.”4thRound Table on MNT for Space.20/22May，2003(ESTEC，Noordwijk，NL.Page4-Page7)(文献2)公开的电容式MEMS开关。这些元件具有通过由电压施加引起的上部电极的上下运动来使上下电极间的电容值变化的功能。
文献1所示的电容式MEMS元件，在作为形成于衬底上的下部电极的信号线路上形成有薄的电介质膜，在信号线路的两侧平行地形成有接地线。由金属锚定部(anchor)、弹簧及上部电极的一体结构所构成的膜片(membrane)与该接地线电连接。并且，此膜片以对形成在信号线路上的电介质膜设置空间而垂直地跨越的形状形成。
作为文献2所示的结构的特征，在位于上部电极下方的下部电极上的电介质膜上，形成有被称为浮置金属的金属膜。
元件的基本动作如下。上述2种MEMS元件，当作为上部电极发挥功能的膜片与作为下部电极的信号线路间未施加直流电压时，通过膜片与形成在信号线路上的电介质膜间的空间，开关动作变成开(膜片向上)状态，所输入的信号到达输出端。当施加直流电压时，通过由膜片与信号线路之间的电位差产生的静电力(即库仑力)，膜片被吸引至信号线路侧，发生弹性形变向衬底侧弯曲。例如，文献1的电容式MEMS元件，上部电极部成为与信号线路上的电介质膜接触的形状，而文献2的电容式MEMS开关，上部电极部成为与形成在电介质膜上的浮置金属接触的形状。
由此，上述2种结构都形成有由膜片、电介质膜及信号线路组成的电容结构，因此开关动作变为关(膜片向下)状态。在该状态下，所输入的信号无法到达输出端。但是，文献2所公开的结构，利用紧贴在电介质膜上而形成的浮置金属的效应，与文献1的结构相比，能得到关状态下的电容值稳定后的高数值。因此，文献2的结构，具有能得到比文献1的元件更好的对高频信号的开关特性这样的特征。
上述方式的MEMS元件，除了被称为电容式MEMS元件(开关)之外，根据其动作原理还被称为静电驱动式MEMS元件(开关)。在本说明书以下的说明中，上述多个名称的元件在没有特别说明的情况下为相同的元件。
MEMS开关有相对于信号线串联连接了MEMS元件的串联式开关和并列连接了MEMS元件的并联式开关。在本说明书中，只要没有特别说明，则以并联式开关为例进行说明。不言而喻，本发明能够用于任意连接方式的开关。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种电容式MEMS元件及其制造方法，能得到对高频信号良好且稳定的开关特性，并且以低电压动作。进而，本发明的目的在于提供一种安装了本发明的电容式MEMS元件的高性能的高频装置。
本发明的电容式MEMS元件的主要方式如下。即，包括绝缘性衬底、在上述绝缘性衬底上形成的下部电极、在上述下部电极上形成的电介质层、在上述电介质层上形成的导体层、以及上部电极。该上部电极与上述下部电极相对且至少与上述电介质层上的导体层具有间隙地配置，进行对上述电介质层上的导体层的接触/非接触的控制。
在本发明中，关键之处在于上述电介质层上的导体层，从上述绝缘性衬底的垂直方向观察，在上述上部电极与上述下部电极相对的区域中进行形成，使得在其相对面积的一部分存在该电介质层上的导体层，并且，在上述上部电极与上述下部电极相对的区域中存在上述电介质层上的导体层的区域的面积小于等于该相对区域中不存在上述电介质层上的导体层的区域的面积。
进而，本发明的电容式MEMS元件的其他方式如下。即包括绝缘性衬底、在上述绝缘性衬底上形成的下部电极、在上述下部电极上形成的电介质层、在上述电介质层上形成的导体层、以及上部电极。该上部电极与上述下部电极相对，且至少与上述电介质层上的导体层具有间隙地配置，进行对上述电介质层上的导体层的接触/非接触的控制。并且，关键之处在于，上述电介质层上的导体层。经由对于高频信号的电阻体与所期望的电位直流连接。
进而，本发明的另一目的为提供具有上述各电容式MEMS元件的高频装置。
图1A是用于说明本发明的电容式MEMS元件的第1实施方式的俯视图。
图1B是图1A的B-B’线的剖视图。
图2A是用于说明解决以往技术的问题的其他装置的俯视图。
图2B是图2A的B-B’线的剖视图。
图3A用于说明以往的电容式MEMS元件的俯视图。
图3B是图3A的B-B’线的剖视图。
图4A是用于说明以往的电容式MEMS元件的表面图。
图4B是图4A中的B-B’线的剖视图。
图5是用于说明解决以往技术的问题的装置的俯视图。
图6是用于说明解决以往技术的问题的其他装置的俯视图。
图7A是用于说明本发明的电容MEMS元件的第1实施方式的俯视图。
图7B是图7A的B-B’线的剖视图。
图8是用于说明本发明的第3实施方式的俯视图。
图9A是用于说明本发明的电容MEMS元件的第4实施方式的俯视图。
图9B是图9A的B-B’线的剖视图。
图9C是说明图9A的例子的膜片的结构的概略立体图。
图10A是用于说明本发明的电容MEMS元件的第5实施方式的俯视图。
图10B是图10A的B-B’线的剖视图。
图11A是第6实施方式的控制电路的等效电路图。
图11B是第7实施方式的控制电路的等效电路图。
图12A是表示第6实施方式的膜片的向上状态的剖视图。
图12B是表示第6实施方式的膜片的向下状态的剖视图。
图13是用于说明在第8实施方式使用的控制电路的等效电路图。
图14是用于说明第9实施方式的框图。
图15是表示第1实施方式的电容式MEMS元件的制造步骤例的剖视图。
具体实施例方式
在具体地说明用于实施发明的各方式之前，说明、考察发明人对于上述电容式MEMS元件所发现出的问题。
本发明人首先试制具有与文献1的结构几乎相同的结构的电容式MEMS元件，对与上述同样的开关动作(ON/OFF)时电容的绝对值及电容比进行了评价。
此时试制出的电容式MEMS元件是图3A、图3B所示的结构。图3A是元件的俯视图，图3B是剖视图。
信号线路1设置在绝缘衬底3的上部。包围该处配置有接地线2。覆盖该信号线路1形成有电介质膜5。与接地线2接触，并与上述电介质膜5保留间隙80地设有上部电极12。在上部电极12的两端部形成有弹簧11。将用上部电极12、弹簧11及与弹簧连接的锚定部10构成的部件称为膜片8。
膜片8中与接地线21(以下称为“地线”)连接的锚定部10、具有弯曲(弯曲结构)的弹簧11及上部电极12构成一体结构。靠近膜片8的下方的衬底(3)上形成的下部电极即信号线路1与上部电极12的相对区域(从垂直方向观察，上部电极与下部电极这两者重叠的区域以下，没有特别说明时仅省略为“相对区域”)的面积是200微米×200微米。
上部电极12/电介质膜5之间的空间80的距离约为1.3微米，作为下部电极的信号线路1上的一部分上和绝缘衬底3上的一部分上所形成的电介质膜5的材料，使用了膜厚为0.3微米的铝膜。
膜片8使用膜厚为2.5微米的Au(金)，而作为下部电极的信号线路1及与膜片8连接的接地线2使用了下层Ti(膜厚为0.05微米)、上层Au(金，膜厚为0.5微米)的层叠膜。
另外，在制造过程中，为形成浮置于中空的膜片8，在膜片下形成将于以后除去的保护层图案。为了容易除去该保护层，虽无图示，但在上部电极12以20微米的间隔设置有多个10微米×10微米的孔。关于保护层将在以后描述。
作为用于保护层的材料，一般有氧化硅膜、光抗蚀剂膜及聚酰亚胺膜等，在上述电容式MEMS元件的制作中使用了聚酰亚胺膜。
使用上述结构的电容式MEMS元件，信号线路1从0V开始慢慢提高施加电压(并且，地线2被接地)，其结果是，对于与地线2连接的上部电极12/作为信号线路的下部电极1间不施加电压(0V即膜片向上)时得到的电容值(约0.5pF)，在上部电极12/下部电极1间施加6V直流电压，上部电极12被吸引至下部电极1的方向而与电介质膜5接触(膜片向下)，电容值也仅增大至大约3倍左右的值(约1.6pF)。
关于上述电容式MEMS元件的动作，仿真计算所得到的结果是，上部电极12完全靠近电介质膜5(膜片向下)比膜片向上时(即0V时刻)电容值增大约50倍，但在实际试制中，上述那样电容值的增加是特别小的。
调查其原因后，发现即使施加使上部电极12与电介质膜5完全接触的电压，两者间也会产生细微的间隙(气隙)。
即，考虑为由于该气隙，而在上部/下部电极间形成低介电区域，导致电容值变小。
另一方面，也对文献2所公开的结构进行实际试作，对施加与上述相同的电压时电容绝对值和电容比进行了评价。
此时试作的电容式MEMS元件为图4A、图4B所示的结构。图4A是元件的俯视图、图4B是BB’线的剖视图。
在绝缘衬底3的上部设有成为下部电极的信号线路1。包围此信号线路1配置有接地线2。在本例中，在该电介质膜5上配置有浮置金属(浮置状态的金属膜)6。与接地线2接触，并与上述浮置金属6和电介质膜5保留间隙80地设有上部电极12。在上部电极12的两端部形成有弹簧11及与弹簧连接的膜片8。膜片8由上部电极12、弹簧11及锚定部10构成。
本例为在上述图3A、图3B所示的结构上形成了稳定时与任何位置都不电连接的浮置金属6的结构。在本例中，该金属膜6取为位于相对区域81内的电介质膜5上、膜厚为100纳米的Au(金)膜。
该浮置金属6的面积比上述两电极的相对区域81小，将尺寸取为180微米×180微米。作为形成的位置，覆盖距相对区域81的外围部四条边分别为10微米的内侧的区域。
使用上述结构的电容式MEMS元件进行了评价，其结果是，对上部电极12/下部电极1间施加直流电压，上部电极12被吸引至下部电极1方向，使其与(膜片向下)浮置金属6接触时，示出电容值为24pF(约为0V时的50倍)这样极高的电容值。
但是，作为动作电压，需要约20V这样不存在上述浮置金属6时的约3倍或3倍以上的高电压。进而，使上述膜片的上下运动反复几次后，施加上述20V电压保持不变并放置数秒钟，就会发生上部/下部电极间的电容值返回初始值(0.5pF)的现象。
进而，还出现自该状态开始施加电压返回0V，且电容值增大到20pF或20pF以上，但数秒后返回到初始值(0.5pF)这样无法解释的现象。
根据上面所述，判明了以下事实具备上述浮置金属6的电容式MEMS元件，特别地，在应用于采用数百MHz或数百MHz以上的高频信号的高频开关的情况下，元件的动作需要高电压，且只能得到极不稳定的开关特性。
如上所述，本发明的要点在于，在具备由导体层组成的浮置金属的电容式MEMS元件中，使相对区域内的导体层(浮置金属)的面积比例为全部相对区域的50％或50％以下(除此之外为电介质膜露出区域)。
进而，解决上述问题的另一方法为使上述导体层(浮置金属)经由对于高频信号为电阻的物质，与具有所期望的电位的物质直流连接。此时，对于上述高频信号为电阻的物质，优选的是电阻值至少为1KΩ且小于1MΩ的电阻，或对于高频信号阻抗至少为1KΩ且小于1MΩ的电感。
上述具有所期望的电位的物质，还取决于元件结构，但是，从易于进行元件制作这方面考虑，优选的是该物质为上述上部电极、接地区域(地线)、以及施加直流电压来控制上述上部电极的上下运动的控制电极中的任一者。由此，该物质是基本上防止起电的物质。
浮置金属的图案形状没有特别限定为指定的形状，如果上述相对区域内的面积比例固定，则例如通过在图案内部设置具有预定形状的开口部，也可以确保上述电介质膜的露出区域。
另外，上述弹簧、上述锚定部及上述上部电极，优选的是形成为一体结构，且由连续的金属体形成。
上述金属体，优选至少由低电阻的金属材料为主体的物质形成，例如，由含铝的单层膜或含铝的膜与其他金属膜的层叠膜，含金的单层膜或含金的膜与其他金属膜的层叠膜，含铜的单层膜或含铜膜与其他金属膜的层叠膜中的任一者形成。
另外，关于上述电介质膜上的导电层，优选的是，由例如含铝的单层膜或含铝的膜与其他金属膜的层叠膜，含金的单层膜或含金的膜与其他金属膜的层叠膜，含铜的单层膜或含铜的膜与其他金属膜的层叠膜中的任一者形成。即，一般来说，优选的是由低电阻的金属材料为主体的物质形成。
对上述以往技术所示的高电压动作进行考察，首先，为了利用静电力使上部电极被吸引至下部电极方向，静电力必须要比上部电极所连接的弹簧的恢复力大。
但是，如上述结构那样，在下部电极上经由电介质膜设置了浮置金属，则来自其区域的下部电极的静电力发挥作用，使得对浮置金属上较强地作用(浮置金属也与上部电极电位相同即0V)。
通过持续施加直流电压，浮置金属也慢慢积蓄电荷，因此开始产生浮置金属与位于浮置金属上的上部电极之间的电位差。随着其间的电位差的增大，在其间发生的静电力也增大，上部电极被吸引向浮置金属。
此时，在浮置金属积蓄电荷直到浮置金属与位于浮置金属上的上部电极之间发生的静电力能够吸引上部电极之前，自开始施加电压时将产生若干时间差。
因此，刚刚施加电压之后的浮置金属与上部电极之间的较宽的相对区域只产生极弱的静电力。
例如，为了用1秒或1秒以下的短时间进行电压切换操作以使上部电极上下运动，即、为了包含发生微弱静电力的较宽区域的全部相对区域的静电力大于弹簧的恢复力，必须主要在不存在浮置金属的外围部的狭窄区域(发生强静电力)进行吸引。此时，在上述浮置金属区域也产生微弱的静电力。其结果，考虑为需要比没有上述浮置金属的结构高的电压，具有上述以往结构的元件的动作将需要20V的高电压。
其次，考察关于本发明的电容值的动作无法解释的现象。
如上所述，在上部电极/下部电极间施加20V的直流电压，上部电极变为与浮置金属直接接触，之后上部电极开始与浮置金属同样地积蓄电荷。
如上所述，通过持续施加直流电压，上部电极与浮置金属为相同的电位，因此从浮置金属至上部电极所产生的静电力消失。其结果，吸引上部电极的静电力比弹簧恢复力小，上部电极从浮置金属离开，电容值变小。此时，浮置金属电绝缘，因此所积蓄的电荷仅通过自然放电放出。并且，自然放电需要数十秒的时间。
在浮置金属电荷积蓄的状态下，使施加电压急剧地变为0V时，原本对地线进行接地，电位返回0V的上部电极与保持积蓄了电荷的状态的浮置金属之间由于又产生大电压差，因此在其间发生比弹簧恢复力大的静电力，上部电极被吸引向浮置金属并发生接触，电容值暂时恢复。
但是，发现这样的情况，即浮置金属所积蓄的电荷经由上部电极快速放出，因此数秒后，浮置金属的电位返回0V，静电力消失，由弹簧的恢复力使二者分离，电容值返回到初始值。
为了确认以上的考察，首先，使用具有与上述图4A、图4B所示的例子相同的尺寸、结构的电容式MEMS元件，改变相对区域内的浮置金属区域与电容膜区域的面积比例进行制作，调查各自的动作电压与有无发生上述现象。
此实验使用的电容式MEMS元件的上部电极与下部电极的相对区域的尺寸，与上述同样为200微米×200微米，使浮置金属的尺寸分别为100微米×100微米(全部的25％)、120微米×120微米(全部的36％)、150微米×150微米(全部的56％)、170微米×170微米(全部的72％)。所形成的位置使上述相对区域的中心与浮置金属的中心重合地形成。
分别评价上述5个元件，其结果填入表1。
表一
由表1可知，对于动作电压而言，浮置金属越小动作电压也越小。得知浮置金属是150微米×150微米(全部的56％)的元件，以没有浮置金属时的动作电压(＝6V，记载于上述以往技术)约1.5倍的9V电压进行动作。另外，141微米×141微米(全部的50％)的元件以8.7V动作。
其次，明确表示出通过保持施加直流电压地进行放置而发生的无法解释的电容值的举动(变化)，与占用全部相对面积的浮置金属的面积比例依赖关系。以浮置金属的尺寸大于等于成为全部相对面积约56％的150微米×150微米为界限，当比率大于等于上述面积比率56％时，结果都会发生无法解释的电容变化，相反，比此小时都不发生无法解释的电容变化。
具有150微米×150微米的浮置金属的元件发现只有1个(/5个)电容变化的情况，而具有141微米×141微米的浮置金属的元件不发生无法解释的电容变化。因此，能实际应用的浮置金属的面积比例优选为全部相对区域的50％或50％以下。
作为应用，制作图5所示的结构的元件并进行评价。图5的结构与上述图4的结构几乎相同，但浮置金属6作为从相对区域内形成的上述浮置金属6到相对区域外的电介质膜5上的连续的一系列图案而被形成。此时，从垂直方向观察的上述相对区域内的浮置金属的面积比例约为全部相对区域的45％。
结果，动作电压为9.8V，并未表现出由施加电压进行放置引起的无法解释的电容值的变化。并且，电容值约为45pF，是初始值(0.5pF)的约90倍的值。
这能推断为通过上部电极12与浮置金属6电接触，具有形成在下部电极1上的电介质膜5上的较宽的面积的浮置金属6与相对的下部电极1之间的相对面积反映在电容值中。可以说，本结构那样的浮置金属的配置是用于扩大开关的接通/断开电容比的一个优异的办法。
根据以上的应用实验的结果，判明了以下情况，即通过使相对区域中的浮置金属的面积比例达到上述规定的范围内(50％或50％以下)，能避免上述以往技术所发生的不良结果。进而，本结构那样的浮置金属的图案配置不会对在上部/下部电极间动作的静电力带来恶劣影响，是用于扩大开关接通/断开电容比的一个优异的办法。即，如果使相对区域内的浮置金属的面积比例降至50％或50％以下，即使是在浮置金属上积蓄有电荷的情况，也能维持静电力大于弹簧恢复力的关系。
以上描述的实验因为做成为容易比较所得的结果，所以都使用相同结构、相同尺寸的并联式的电容式MEMS元件，但使用改变了弹簧、膜片的尺寸或形状、元件自身的结构的电容式MEMS元件，改变浮置金属的面积比例进行实验时也能得到表示几乎相同的倾向的结果。
但是，如果上述推断正确，浮置金属中的电荷始终保持被积蓄的状态，因此连续反复进行动作时，不能否定元件动作变得不稳定的可能性。
所以，在图5所示的元件的浮置金属6与地线2之间，制造了配置有电阻值为1KΩ或1KΩ以上的电阻图案7(实际测量为3.7KΩ)的图6所示的结构的电容式MEMS元件。与至此的例子相同，在上部/下部电极间施加直流电压，评价基于动作电压及动作电压施加状态下的放置的电容值的变化的有无。这是上述电阻的阻值的确定方法，但上述电容式MEMS元件主要用作高频信号用的开关，作为高频信号的品质，无法通过具有较高电阻的物质或电阻为高阻抗的电感，因此本实验作为一个例子使用了上述1KΩ或1KΩ以上的金属电阻体。
上述电阻体的存在是用于快速的放出被认为积蓄在浮置金属中的电荷的方法之一，作为一个例子，在本结构中，将浮置金属的连接目标取为地线。另外，由此，浮置金属成为直流短路，但保持对高频的浮置状态。其结果，动作电压自身高电压化到15V为止，但保持电压施加的放置状态，没有发现上述无法解释的电容值的动作。进而，将施加电压返回至0V，能够确认电容值原样返回至初始值而不发生变化。
就上述结果而言，首先，关于动作电压的上升，当为上述结构时，经由电阻体与连接有地线的上部电极相连接的浮置金属始终是直流的相同电位，因此在浮置金属/上部电极之间不产生静电力，能够推断为是以下的原因引起的，即仅在浮置金属以外的电介质膜露出区域下的下部电极及与其相对的区域的上部电极间的狭窄相对区域吸引。
不产生由电压施加引起的放置状态下的电容值的变化，是因为仅在不引起电荷积蓄的上述狭窄区域吸引的缘故，返回0V，上部电极不被浮置金属吸引，也能够推断为是因为经由电阻体连接浮置金属与地线，从而浮置金属所滞留的电荷被快速放出的缘故。
通过以上的详细实验及各考察，判明了通过在浮置金属与地线(或者电压端子)之间连接电阻元件，能够防止浮置金属的电荷积蓄。
但是，如上所述，依赖于电阻元件的电阻值，开关的接通/断开(ON/OFF)切换时间与损耗将恶化。在使用电阻元件从浮置金属到地线使电荷逃逸的情况下，残留在浮置金属中的电荷量的变化与时间的指数函数呈反比例的关系。
电荷量为1/e(e为2.71828)的时间常数dt，表示为浮置金属与地线的电容Cf与所用的电阻元件的电阻值Rf的积Cf×Rf。时间常数dt需要小于所需的接通/断开切换时间dtoff，因此，需要daoff＞＞dt。在为GHz频带动作的低损耗开关的情况下，需要Cf是5pF～20pF，dtoff＜0.1msec，因此，需要Rf＜5R～20MΩ。
当设计开关的损耗时，需要考虑与连接有开关的电子部件(L，滤波器等)的Q值的均衡。L、滤波器的Q值是20～2000，特别是高Q滤波器的情况，开关也被要求为高性能。
代表性的电介质、SAW滤波器的Q值为800或800以上，串联电阻1Ω或1Ω以下，因此，需要Rf＞800Ω(＝1Ω×800)。
上述说明了与浮置金属连接的目的地为地线的情况，但为电压端子时也具有完全相同的效果。另外，在对电阻元件的变化使用电感的情况下，置换为使Rf动作的频带下的电阻，具有同样的效果。
其次，以基于上述电阻体连接结构的开关的低电压动作化为目标，调节相对区域的浮置金属的面积比例，进而，在上述相对区域外也制作配置了浮置金属的结构的电容式MEMS元件，进行动作电压的评价。此例如图2A、图2B所示。图2A为俯视图，图2B为线BB’的剖视图。本例图6的例子与浮置金属6的形状、面积比例不同。因此，省略其他的详细说明。本例浮置金属6的面积比例设计为全部相对区域的15％。简单说，使相对区域的浮置金属6的面积显著变小，并且在相对区域以外的电介质膜5上也使浮置金属6延长而较宽地形成。进而，使浮置金属6经由2KΩ的电阻元件短路至地线2。
其结果，可得到动作电压变为6.2V。此电压值为与不设置浮置金属时大致相等的值，此时得到的电容值为32pF，这是初始值的约60倍的电容值。
根据以上内容，为了解决以往技术所产生的电容式MEMS元件的问题，能够使用下述事项的至少一项来实现。当然，也可以组合其两者来使用。
(1)在具有上述以往的浮置金属的结构中，使相对区域内的浮置金属的面积比例为全部相对区域的50％或50％以下。
(2)使浮置金属自身经由对高频信号为电阻的物质，与具有所期望的电位的物质直流连接。
优选的是，使相对区域内的浮置金属的面积比例显著变小，例如，如果降至全部的15％左右，则能够制造以与没有浮置金属的结构几乎等效的动作电压进行动作的电容式MEMS元件。
进而，即使将浮置金属的形成区域扩大至相对区域以外的下部电极上的电介质膜上，只要浮置金属保持关于上述相对区域内的形成图案的面积比例的制约，也可以较宽地形成在相对区域以外的区域上。这是因为浮置金属形成区域不对相对区域内产生的静电力带来任何影响的缘故。由此，能够增大动作时的电容值及接通/断开电容比。
另外，上述相对区域内的浮置金属的形状没有特别的限定，可以设计为任何形状。
对上述高频信号为电阻的物质，是指例如具有大于等于1KΩ且小于等于1MΩ的电阻值的高电阻体、或表示为大于等于1KΩ且小于等于1MΩ的电阻的电感，所谓具有所期望的电位的物质，尽管依赖于元件的结构，但是，例如是指接地线、上部电极、下部电极、控制电极等。
进而，上述锚定部、弹簧及上部电极形成为一体结构而成为膜片，并且优选的是由连续的相同的低电阻的金属形成。
此时，优选的是，上述金属体为金、铝、铜中任一个的低电阻的单一金属膜、或上述金属种类与其他金属的层叠膜。
另外，形成在上述电介质膜上的上述低电阻金属膜，优选的是低电阻的金属材料，尤其优选的是能显著降低与上部电极的接触电阻的材料。具体而言，优选的是以金、铝、铜等中任一个的单一金属膜，或上述金属种类与其它的金属的层叠膜。
进而，除了由上述低电阻金属膜构成的浮置金属表面为平坦的情况以外，在稳定时间(不施加电压时)中，如果与上部电极不接触，也可以设置一处与浮置金属相同材料或由其他材料组成的向上方向的突起或设置多处这样的突起。
与此相反，当然，如果不满足上述条件，在上部电极下面设置一处向下方向的突起，或设置多处这样的突起也能得到相同的效果。
如以上详细叙述的那样，按照本发明能得到对高频信号极好且稳定的开关特性与绝缘(isolation)特性。进而，按照本发明，能提供以高可靠性且以低电压动作的电容式MEMS元件和安装了本发明的电容式MEMS元件的高性能的高频装置。
本发明的电容式MEMS元件，例如，作为高频开关发挥功能情况下的开关接通时(电压施加时)的电容值，在能够通过延长位于相对区域以外的下部电极上的电介质膜上的浮置金属来形成从而变大的基础上，从全部浮置金属的面积能够容易地实现几乎为计算值那样的电容值，因此，开关元件的设计也变得极为容易。
进而，如上所述，能将浮置金属的形成区域扩大至相对区域以外的区域，上部电极有一处接触浮置金属即可，因此，上部电极与以往相比，能大幅度地减小。由此，有可能显著抑制含有由金属体所构成的上部电极的膜片的、由残留内部应力所导致的弯曲变形。
与上部电极接触的低电阻金属膜所构成的浮置金属也使用以电阻值低的Au、Al、Cu等为主体的金属膜，能够降低接触电阻或串联电阻，因此能够以极低的损耗传送高频信号。
根据本发明的电容式MEMS元件的结构、性质，在作为高频开关的用途以外，通过并联串联连接、配置1个或多个本元件，也能够应用于SPnT开关、能改变大范围的电容值的可变电容器件。
进而，本发明的电容式MEMS元件，从制作工艺上的观点来看，增加极少的工艺即可，能将制造成本的增加抑制得小。
本发明的电容式MEMS元件，能够用普通的半导体制作工艺简单制作，因此能够以FET、双极性晶体管等半导体有源器件或其它无源器件形成在相同的衬底上来进行单芯片化，因此，与以往相比，能够容易制作小型化的模块器件。
<各实施方式>
以下，参照附图所示的几个优选实施方式，更详细地说明本发明的电容式MEMS元件。
图1A、图1B以示意图表示本发明的第一实施方式。图1A是元件的俯视图，图1B是元件的线BB’的剖视图。
在绝缘衬底3上形成具有作为元件下部电极的功能的信号线路1，在其周围形成地线2。绝缘衬底3例如用玻璃衬底、化合物衬底、高电阻硅衬底、压电体衬底等绝缘材料形成。绝缘衬底3还可以为以氧化硅为代表的绝缘膜覆盖表面的半绝缘衬底或导体衬底。
信号线路1与按预定距离设置的地线2重合，作为图1B的沿纸面垂直的方向延伸的共面式高频信号线路发挥功能。
从地线2跨越信号线路1地形成的膜片8，构成为与地线2连接的4处锚定部10、与锚定部10连接的具有弯曲(弯曲结构)的4根弹簧11、以及上部电极12的一体结构。
信号线路1上的一部分及绝缘衬底3上的一部分，用膜厚为0.2微米的铝膜构成的电介质膜5覆盖，在位于信号线路1上的电介质膜5的表面上形成了由具有Ti/Au2层结构的低电阻金属膜所构成的浮置金属6。
上述信号线路1与上部电极8的相对区域的上述浮置金属6的面积比例为上述全部相对区域的15％，在位于上述相对区域外的上述信号线路1上的上述电介质膜5上也延长浮置金属6而较宽地形成。浮置金属6经由电阻值为15KΩ的电阻元件7与地线2连接。
在地线2高频接地的基础上，直流也被接地(直流电位0V)。因此，上部电极12经由弹簧11与锚定部10接地。但是，浮置金属6经由电阻元件7连接地线2，因此仅直流接地。
上部电极12与电介质膜5间的空间距离约为1.2微米。
在膜片8，使用膜厚为2.5微米的Au(金)，信号线路1与接地线2使用下层Ti(膜厚＝0.05微米)与上层Au(金，膜厚0.5微米)的层叠膜。
在用于形成中空浮置的膜片8的保护层使用聚酰亚胺膜。为容易除去保护层，虽未图示，但在上部电极12间隔20微米设置多个10微米×10微米的贯通孔。
上述结构的MEMS元件的动作电压(上部电极与低电阻金属膜接触的电压)为6.3V，此时的电容值能得到约40pF。这与0V时的电容值约0.5pF相比较，约为接近100倍的值。该值为同从浮置金属6和信号线路1的相对面积计算求得的值几乎相同的电容值。
图7A、图7B用示意图表示本发明的第2实施方式。本例是将本发明用于使用了金属体构成的外伸臂结构的电容式MEMS元件的例子。图7A为俯视图，图7B为该元件的线BB’的剖视图。
在氧化硅覆盖了表面的Si衬底15上，形成具有作为元件下部电极发挥功能的信号线路13，在其周边形成地线14。
由地线14覆盖信号线路13的一部分地形成的外伸臂16，形成为与地线14连接的锚定部17，与锚定部17连接的弹簧18及上部电极19的一体结构。上部电极19的面积为20微米×50微米。
信号线路13上的一部分及Si衬底15上的一部分用膜厚为0.15微米的氮化硅膜构成的电介质膜20覆盖，在位于信号线路上的电介质膜20的表面形成由Al构成的浮置金属21。
此时，信号线路13与上部电极19的相对区域内的浮置金属21的面积比例为上述全部相对区域的10％，在位于上述相对区域外的上述信号线路13上的电介质膜20上也延长浮置金属21而较宽地形成。浮置金属21经由电阻值为500KΩ的电阻元件22与地线14连接。
地线14在高频接地的基础上还直流接地(直流电位0V)，因此，与地线14连接的上部电极19也接地。但是，浮置金属21经由电阻元件22与地线7连接，因此仅直流接地。上部电极19与电介质膜20之间的空间距离为0.8微米。
全部外伸臂16由膜厚2.0微米的Al(铝)构成，对于信号线路13与地线14，也使用Al(铝，膜厚0.4微米)单层膜。
对用于形成具有与地线14连接的中空浮置的上部电极19的外伸臂16的保护层，使用聚酰亚胺膜，为容易除去保护层，虽未图示，但在上部电极19间隔5微米地设置多个2微米×2微米的贯通孔。
上述结构的MEMS元件的动作电压(上部电极与低电阻金属膜接触的电压)为1.5V，此时的电容值约24pF。这是与0V时的电容值约0.2pF相比较约120倍的值。
上述第2实施方式的上部电极19的面积因为比上述第1实施方式的情况显著变小，所以全部元件的大小也小于上述第1实施方式。
但是，在动作电压低电压化为1.5V的基础上，所得到的电容值也能得到几乎与第1实施方式相同的值。这样，通过应用本发明的结构，能够制作具有与以往相比小型且具有优良的开关特性的高频用电容式MEMS元件。
作为本发明的第3实施方式，表示在信号线路与地线之外单独设置了控制端子的电容式MEMS元件的例子。本例子表示为图8的俯视图。
在玻璃衬底60上形成信号线路61，在其周围形成地线62，地线62区域内的一部分形成不与地线62电连接的控制端子63。
膜片64，构成为与控制端子63连接的锚定部65、与锚定部65连接的具有弯曲(弯曲结构)的弹簧66、以及上部电极67的一体结构，其中，该上部电极67以分别存在于与地线62间用于产生静电力的区域67-1、与浮置金属70接触的区域67-2的形状形成。
锚定部65形成4处。与控制端子63连接的锚定部仅1处，其他的锚定部都靠近玻璃衬底60上而被形成。
信号线路61上的一部分、玻璃衬底60上的一部分及地线62上的一部分，形成用氧化钛构成的膜厚为250纳米的电介质膜69覆盖的结构，在位于信号线路61上的电介质膜69上，形成有浮置金属70。浮置金属70经由对1GHz的高频信号为150KΩ的电阻特性的电感元件71与信号线路61连接。上述信号线路61、地线62、控制端子63、膜片64、浮置金属70全部由铜构成。
在上述结构中，电介质膜69露出的区域仅存在于上部电极67与信号线路61的相对区域内，浮置金属70所占的面积比例约为90％。但是，与膜片64间的静电力主要在与地线62之间产生，因此，不存在动作上的任何问题。
上述结构，为了防止对由上部电极67接触引起的浮置金属70的电荷积蓄，设置了电感元件71。
因为在信号线路上的电介质膜上的几乎所有区域能够形成浮置金属，所以具有以下的特征，即通过对控制端子施加电压，能显著增大膜片接触浮置金属时所得到的电容值。
以上，以并联连接式元件为例进行了说明，但本发明为串联连接式也具有相同的效果。
图9A、图9B、图9C用示意图表示本发明的第4实施方式。图9A是元件俯视图，图9B是该元件的线BB’的剖视图。图9B是具备杠杆结构的膜片的电容式MEMS元件。图9C是说明膜片构造的概略立体图。
在玻璃衬底28上形成由膜厚500nm的Cu(铜)构成的输入信号线路24，在其两侧形成输出信号线路25(左侧)、输出信号线路26(右侧)。在其外围形成地线27。
与形成于玻璃衬底上的输入信号线路24连接的Au构成的膜片29，具有2处锚定部30、中空地连接上述2处锚定部30的扭簧即第一弹簧31、从第一弹簧31延伸至左右两侧的第二弹簧32、从第2弹簧32连接配置在左右两侧的上部电极33(图9B左侧)及34(图9B右侧)构成。
这里，输入信号线路24与左右的上部电极33、34连接，在位于两个上部电极下的玻璃衬底28上，从下面开始堆积下部电极即由Cu构成的输出信号线路25(图9B左侧)和26(图9B右侧)、由氮化硅膜构成的电介质膜35、从下面开始的由Ti/Au的层叠膜构成的浮置金属36(左侧)、37(右侧)，对两个上部电极左右分别设置距离＝1.0微米的空间而形成。
此时，左右各自的输出线路25及26与左右各自的上部电极33、34的相对区域内，左右各自的浮置金属36、37的面积比例均为上述全部相对区域的35％，在位于上述相对区域外的上述输出信号线路25、26上的上述电介质膜35上，也分别延长浮置金属36、37而较宽地形成。
浮置金属36、37，经由对1GHz～5GHz的高频信号呈300KΩ的阻抗的电感元件38、39与地线27连接。
上述结构的电容式MEMS元件，通过在输入信号线路24与左右配置的输出信号线路25、26中的任意一个之间施加直流电压，来进行动作。
例如，当与左侧的输出信号线路25之间施加电压时，左侧的上部电极33被线路25吸引，通过与左侧的浮置金属36接触，来形成电容结构。此时输入到输入信号线路24的高频信号，经由此电容从左侧的输出信号线路25输出。此时，相反侧的上部电极34向上升高，因此输出信号线路26与上部电极34的隔离增加。
相反，通过停止左侧的电压施加，与右侧的输出信号线路26间施加电压，从而左侧的上部电极33离开低电阻金属膜36返回到原来位置。通过右侧的上部电极34被右侧的信号线路26吸引，与右侧的浮置金属37接触，之后高频信号从右侧的输出信号线路26输出。此时，相反侧的上部电极33向上升高，输出信号线路25与上部电极33的隔离增加。
按照上述实施方式，本发明的电容式MEMS元件是一般被称为能够对一个信号线路选择性地切换2条路径的SPDT开关的结构。本例子反映本发明的效果，能提供低损耗且隔离特性优良的高频信号用的推挽式1输入2输出切换开关等。
对于上述本发明的电容式MEMS元件，说明了在元件内部设置电感元件或电阻元件的情况，但其他使浮置金属连接在元件以外的外部形成的电阻元件或电感元件也能得到同样的效果。
图10A、图10B用示意图表示本发明的第5实施方式。图10A是元件的俯视图，图10B是该元件的线BB’的剖视图。本例子具有与上述第1实施方式描述的几乎相同的结构的膜片，是将本发明用于具有串联连接式的接通/断开开关的例子。所谓串联连接式是将信号线路分为输入侧与输出侧，在输入侧与输出侧间施加电压，膜片与低电阻金属膜接触时高频信号流至输出侧的结构。
在用氧化硅覆盖表面的Si衬底43上，形成Al的输入信号线路40，在该线路40的“コ”形区域的内侧，具有预定间隔地形成由Al构成的输出用信号线路41。在其周围形成地线42。
跨越连接在输入信号线路40的“コ”形区域部上的输出信号路线41地形成的膜片44，形成为4处锚定部45、与锚定部45连接的具有弯曲(弯曲结构)的4根弹簧46及上部电极47的一体结构。输出信号线路41上的一部分及Si衬底43上的一部分用氧化钛膜构成的电介质膜48覆盖，在位于输出信号线路41上的电介质膜48的表面形成具有Au构成的开口部的浮置金属49。在上部电极47下面形成多处朝下的由Au构成的突起50。
此时，输出信号线路41与上部电极47的相对区域的浮置金属49的面积比例为上述全部相对区域的15％，在位于上述相对区域外的上述输出信号线路41上的上述电介质膜48，也较宽地形成从相对区域延长的浮置电极49。
上部电极47与浮置电极49间的空间的距离约为1.0微米，设置在上部电极47下面的突起50有约0.3微米的高度，因此从上述突起50的尖端至浮置金属49的距离为0.7微米。
对膜片44使用镀膜厚1.5微米的Cu(铜)，对输入信号线路40、输出信号线路41及地线42使用Al(膜厚0.6微米)单层膜。
对用于形成中空的浮置的膜片的保护层使用具有感光性的聚酰亚胺膜，保护层的除去，实施使用了专用剥离液的湿法处理和作为最终步骤的利用碳酸气体的快速干燥处理。
上述结构的MEMS元件，通过在输入信号线路40与输出信号线路41间施加电压，与输入信号线路40连接的上部电极47被输出用信号线路41吸引而与低电阻金属膜49接触，从而电容结构。此时，输入信号线路40所输入的高频信号，经由此电容流至输出信号线41。
在上述实施方式中，没有设置用于放出积蓄在浮置金属中的电荷的电阻元件等，但在相对区域中的浮置金属的面积比例为非常小的15％，因此，没有任何元件动作故障地进行作为正常开关的动作。
根据上述实施方式，能提供输入信号的损耗极小、通过特性优良的高频信号用电容式MEMS元件。
说明作为第6实施方式的高频装置。图11A是作为安装了本发明的电容式MEMS元件的高频装置，将上述第1实施方式说明的本发明的电容式MEMS元件(图1A、图1B所示)应用于高频信号的接通/断开开关时的本MEMS元件与控制电路的等效电路图。MEMS元件的信号线路1和上部电极12如电路所示。图12A、图12B是表示本例子的各个膜片的向上、向下状态的MEMS元件的剖视图。剖视图的各部位使用与第1实施方式的标号相同的标号来表示。
MEMS元件的上部电极12作为并列地连接在信号线路1上的本发明的高频开关52而发挥功能。标号53、54分别是至信号线路1的输入端子、输出端子。作为下部电极的信号线路1直流浮置，控制端子55经由对高频呈高阻抗的电感L和电阻R与信号线路1连接。即，当对控制端子提供控制用的直流电压时，经由电感L和电阻R将相同的直流电压施加在信号线路1上。
在信号线路1不施加直流电压(直流电位0V)时，如图12A所示，上部电极12用弹簧11机械性地保持。因此，上部电极12由于从信号线路1完全分离，所以上部电极12与信号线路1间的电容值非常小(膜片向上，电容值约为0.5pF)。此时，流至信号线路1的高频信号从其输入端子53低损耗地传输至输出端子54(开关接通状态)。
在信号线路1施加了直流电压的情况下，在上部电极12与信号线路1间发生静电力。静电力比弹簧的恢复力强时，如图12B所示，上部电极12扩张地接触形成在电介质膜5上的浮置金属6(膜片向下，电容值＝约48pF)(开关断开状态)。
此开关接通状态时，上部电极12与浮置金属6电接触，因此构成具有经由上部电极12而连接的浮置金属6、电介质膜5、信号线路1的电容。由此，在高频中，信号线路1等效于接地。因此，从输入端子53流至信号线路1的高频信号，其大部分被与上部电极12靠近的浮置金属6靠近电介质膜5的部分所反射，因此几乎未到达输出端子54。
上部电极12与信号线路1之间的静电力由区域14继续保持，因此，只要不停止施加电压，就继续维持上述电容结构。
说明作为第7实施方式的高频装置。图11B是表示将具有上述第5实施方式所说明的本发明的串联连接式的电容式MEMS元件(图10A、图10B所示)用于与上述同样的开关时，MEMS元件与控制电路的等效电路图。输入信号线路40和输出信号线路41如电路所示。标号73、74及75分别表示输入端子、输出端子及控制端子。
连接在输入信号线路40上的上部电极47作为串联连接在输出信号线路41上的本发明的高频开关72而发挥功能。这里，控制端子75经由对高频呈高阻抗的电感L及电阻R与输出信号线路41连接。即，当对控制端子75施加控制用的直流电压时，经由电感L和电阻R对输出信号线路41施加相同的直流电压。
当未对输出信号线路41施加直流电压(直流电位0V)时，上部电极47从输出信号线路41完全分离，因此，所输入的信号未到达输出信号线路41(膜片向上)。
当对输出信号线41施加了直流电压时，上部电极47与输出信号线41间产生静电力。此时上部电极41被吸引而与浮置金属49接触(膜片向下)，从而构成具有经由上部电极47而连接的浮置金属49、电介质膜48、输出信号线路41的电容。由此，所输入的信号能到达输出信号线路41。
按照本实施方式，安装了本发明的电容式MEMS元件的高频开关能得到对高频信号极好的开关特性。
说明作为第8实施方式的高频装置。作为安装了本发明的电容式MEMS元件的高频装置，将上述第4实施方式所说明的本发明的电容式MEMS元件(图9A、图9B所示)应用于能将1个输入信号切换至2条路径的开关。与图9A、图9B相同的部位在图13使用相同的标号。标号24表示输入信号线路，标号25、26分别表示左侧输出信号线路、右侧输出信号线路。标号29表示膜片，标号33、34分别表示左侧的上部电极、右侧的上部电极，标号56表示输入端子，标号57、58表示输出端子，标号59表示控制端子。
在本实施方式中，膜片29没有接地而是经由输入信号线路24与输入端子56连接。并且，进行以下动作，即膜片29左侧的上部电极33与输出用信号线路25高频连接从而与其输出端子57连接，或者，右侧上部电极34与输出用信号线路26高频连接从而与其输出端子58连接。
输出端子57经由屏蔽高频信号的电阻R1和电感L1，与3V电压直流连接，而输出端子58经由屏蔽高频信号的电阻R2和电感L2直流接地。电容C1用于使直流3V的端子高频接地。膜片29通过电容C2被直流浮置，经由屏蔽高频信号的电阻R3和电感L3对控制端子59施加控制电压。因此，在对控制端子59施加5V电压的情况下，输入端子56与输出端子58高频连接，在对控制端子59施加0V的情况下，输入端子56与输出端子57连接。
在以上的第8实施方式中，因为作为所应用的电容式MEMS元件的特征的断开状态下的隔离特性优良，所以能使用1个推挽型的电容式MEMS元件实现低损耗且至脱机的信号串入显著降低的1输入2输出切换开关。
图14是说明第9实施方式的框图。在安装了本发明的电容式MEMS元件的高频装置的例子中，是用于移动电话等的高频滤波器模块。
图14在衬底91配置高频滤波器94，该高频滤波器94与天线96、位于相反侧的至接收系统的接收部92、以及至发送系统的发送部93连接。此时，至少在高频滤波器94的前级、后级或前级与后级这两者设置开关。作为此开关，使用安装了基于本发明的第7实施方式所示的方式的开关或基于本发明的第6实施方式所示的方式的开关。
通过安装多个滤波器94和上述本发明的电容式MEMS元件95，能得到本发明良好的开关特性。将这情况进行反映，则能够保持低损耗、低噪声地将从天线接收的多个频带的信号切换输入至所期望的连接路径，反之，则能够保持低损耗且低噪音地输出多个频带的信号。进而，具有还能够显著降低至输出信号的输入信号侧的串入的优点。
上述高频滤波器与本发明的电容式MEMS元件，因为本发明的电容式MEMS元件不选用衬底材料，能用普通的半导体制造技术制作等，所以具有能够在与滤波器相同的衬底材料上制作，与其他无源元件共同进行单芯片化的优点。
进而，在本发明的第6实施方式与第7实施方式所示的等效电路中，从控制端子发送控制信号的Si-MOSFET等有源元件组成的逻辑IC等也根据与上述相同的理由，能在相同衬底上制作实现单芯片化。
即，本发明的电容式MEMS元件，能够与有源元件及其他无源元件一并使用普通的半导体制造技术制作在相同的衬底上。
由此，能提供一种与以往在安装基板上分别单个地安装了元件时相比大幅度地小型化的高频装置。
从本发明的电容式MEMS元件的结构、性质来看，不言而喻，在如上所述的开关的用途以外，通过并联、串联连接配置一个或多个本元件，也能够应用于SPnT开关或能大范围地改变电容值的可变电容装置。
图15表示本发明的MEMS元件的制造方法的例子。
这里，作为例子，表示上述图1所示的第1实施方式的电容式MEMS元件的制造方法。其他方式也能以此为基准进行制造。
在绝缘衬底3上，使用光刻技术，形成信号线路1与地线2的翻转图案构成的剥离用2层抗蚀图案。之后，使用电子束蒸发法，第1层附着膜厚0.05微米的Ti，第2层附着膜厚0.5微米的Au(金)。使用公知的剥离法除去不需要的金属膜与抗蚀剂，形成信号线路1的图案与地线2的图案(图15的(a))。
接着，由溅射法附着膜厚0.2微米的铝膜之后，使用公知的光刻技术进行图案形成。之后，由蚀刻除去没有掩膜区域的铝膜，仅在所期望的区域形成电介质膜5(图15的(b))。
然后，使用公知的光刻技术，形成仅信号线路上的所期望的区域开口的剥离用的2层抗蚀图案。之后，使用电子束蒸发法，第1层附着膜厚0.05微米的Ti，第2层附着膜厚0.2微米的Au(金)。使用公知的剥离法除去不需要的金属膜和抗蚀剂，形成具有所期望形状的浮置金属6的图案(图15的(c))。
然后，使用公知的光刻技术，形成仅绝缘衬底3上的所期望的区域开口的剥离用2层抗蚀图案。之后，使用电子束蒸发法附着高电阻膜。使用公知的剥离法除去不需要的金属膜及抗蚀剂，形成具有期望的图案的电阻元件7的图案(图15的(d))。
然后，由旋转涂敷形成了全部绝缘衬底3的聚酰亚胺膜后，使用公知的光刻技术与蚀刻技术，形成仅所期望的区域开口的聚酰亚胺膜构成的保护层图案51。聚酰亚胺膜的膜厚由高温烘焙后，膜厚被调整为1.2微米(图15的(e))。
然后，在全部绝缘衬底3上，使用公知的电子束蒸发技术，附着膜厚2.5微米的Au膜。之后，使用公知的光刻技术与Ar+离子束研磨法形成膜片8(图15的(f))。
最后，通过使用化学干蚀刻(dry etching)除去保护层51，完成本发明的电容式MEMS元件(图15的(g))。
当难以在相同衬底上制作电阻元件与电感时，形成从浮置金属引出的线路图案，也可以在元件安装阶段与外部的电阻元件或电感元件连接。
在上述制造方法的例子中，表示了使用电子束蒸发法附着各种金属膜的例子，但通过使用除此之外的溅射法，能提高金属膜的表面平坦性，减小晶片内的元件的偏差。
另外，在上述例子中，表示了使用以Au作为主体的金属膜的例子，但通过使用除此之外的Al、Cu等，具有能降低材料成本的效果。
对上述膜片的加工示出使用离子束研磨法的例子，但不言而喻，也可以使用除此之外的化学干蚀刻法、湿式蚀刻法、剥离法等对要使用的其他金属材料最合适的加工方法。
在上述制造方法的例子中，膜片的膜厚是2.5微米，但如上所述实施方式所示的，膜厚优选为各自的金属材料不发生弯曲的程度，因为随附着方法的不同最合适的膜厚会发生改变，因此没有特别限定厚度。
表示了对膜片使用基于电子束蒸发的厚膜Au来进行制作的例子，但除此之外，在形成了膜片的Au上也可以使用电镀Au等形成厚膜Au。
利用基于光抗蚀剂等的图案，使用仅在所期望的区域实施电镀的电解镀Au法能降低材料成本。
示出了在制造使用了上述Au的膜片的基础上，在上述制造方法中仅直接附着形成Au的例子，但是，通过设置数nm～数十nm的钛、铬、钼等作为与邻接层的粘接层，能提高粘合性。
示出了使用基于多层抗蚀剂技术的图案与剥离法形成作为上述本发明的主要构成要素的浮置金属的图案的例子，但是，除此之外，在使用Al等其他方法的情况下，不言而喻，也可以使用化学干蚀刻或湿式蚀刻法等。
示出了对电介质膜使用基于溅射法的铝膜的例子，但关于附着方法，除此之外，也可以使用CVD法等在通常的半导体制造工艺中普遍使用的其他方法。
对于电介质膜材料，除铝膜之外，只要是氧化硅膜、氮化硅膜、氧化钛等至少在绝缘性上优异的介电率的固体材料，则任何材料都能够应用。另外，除了单层膜之外，也可以使用这些电介质材料的层叠膜。介电率越大，元件小型化也变得容易，能够优化膜片向下状态的电特性。
示出了对上述保护层51使用标准的聚酰亚胺膜的例子，但是，当使用具有感光性的聚酰亚胺膜时，由于节省涂敷光抗蚀剂的时间，所以具有工艺简单化的优点。另外，只要不产生耐热性等问题，也可以在保护层仅使用通常的光抗蚀剂。
通过以上制造方法制造出的本发明的电容式MEMS元件，与以往的元件结构上的不同之处在于限定相对区域的浮置金属的面积比例，从浮置金属经由对高频信号成电阻的物质，与具有所期望的电位的物质直流连接。从上述制造工艺方面来看，显然，本发明具有通过少量的工艺增加就给元件特性带来很大改善的效果。即，只要按上述制造方法制造上述本发明的电容式MEMS元件，则能够以低价格提供具有对高频信号极好的开关特性的电容式MEMS元件。
以下，列举本发明的主要的实施方式。
(1)一种电容式MEMS元件，至少包括衬底；锚定部，形成在上述衬底上；弹簧，与上述锚定部连接；上部电极，与上述弹簧连接，使上述弹簧发生弹性形变，在上述衬底的上方进行运动；下部电极，位于上述上部电极的下方，具有至少与该上部电极的一部分相对的区域，并形成在上述衬底上；电介质膜，位于形成有上述下部电极的上述衬底上，形成在上述下部电极的一部分和上述衬底上的一部分上，使得从衬底垂直方向观察，至少盖比上述上部电极宽的区域；以及低电阻金属膜，靠近位于上述下部电极上的上述电介质膜的一部分，以至少与上述上部电极的一部分相对的形状来形成，当在上述上部电极与上述下部电极间施加直流电压时，利用在相对的上述上部电极与上述下部电极间产生的静电力，上述上部电极被吸引至下方，上述上部电极的一部分与上述低电阻金属膜的一部分接触，则上述上部电极与上述低电阻金属膜电连接，从而形成为具有经由上述低电阻金属膜而连接的上述上部电极、上述电介质膜、上述下部电极的电容结构，
所述电容式MEMS元件的特征在于从上述衬底的垂直方向观察，在上述上部电极与上述下部电极相对的区域内的上述下部电极上，混合存在层叠了上述电介质膜和上述低电阻金属膜的区域、仅形成了上述电介质膜的区域，层叠了上述上部电极和上述下部电极相对区域内的上述电介质膜与上述低电阻金属膜的区域的面积，小于等于上述区域内电介质膜露出的区域的面积。
(2)一种电容式MEMS元件，至少包括衬底；锚定部，形成在上述衬底上；弹簧，与上述锚定部连接；上部电极，与上述弹簧连接，使上述弹簧发生弹性形变，在上述衬底的上方进行运动；下部电极，位于上述上部电极的下方，具有至少与该上部电极的一部分相对的区域，并形成在上述衬底上；电介质膜，位于形成有上述下部电极的上述衬底上，形成在上述下部电极的一部分和上述衬底上的一部分上，使得从衬底垂直方向观察，至少覆盖比上述上部电极宽的区域；以及低电阻金属膜，靠近位于上述下部电极上的上述电介质膜的一部分，以至少与上述上部电极的一部分相对的形状来形成，当在上述上部电极与上述下部电极间施加直流电压时，利用在相对的上述上部电极与上述下部电极间产生的静电力，上述上部电极被吸引至下方，上述上部电极的一部分与上述低电阻金属膜的一部分接触，则上述上部电极与上述低电阻金属膜电连接，从而形成为具有经由上述低电阻金属膜而连接的上述上部电极、上述电介质膜、上述下部电极的电容结构，所述电容式MEMS元件的特征在于上述低电阻金属膜，经由对高频信号成电阻的物质，与具有所期望的电位的物质直流连接。
(3)根据上述项目(2)所述的电容式MEMS元件，其特征在于对上述高频信号成电阻的物质，是表示电阻值大于等于1KΩ小于1MΩ的物质。
(4)根据上述项目(2)所述的电容式MEMS元件，其特征在于对上述高频信号成电阻的物质，是对上述高频信号为大于等于1KΩ小于1MΩ的阻抗的电感。
(5)根据上述项目(2)所述的电容式MEMS元件，其特征在于具有上述所期望的电位的物质是上述上部电极。
(6)根据上述项目(2)所述的电容式MEMS元件，其特征在于具有上述所期望的电位的物质是上述下部电极。
(7)根据上述项目(2)所述的电容式MEMS元件，其特征在于具有上述所期望的电位的物质是接地区域(地线)。
(8)根据上述项目(2)所述的电容式MEMS元件，其特征在于具有上述所期望的电位的物质，是施加直流电压以控制上述上部电极的上下运动的控制电极。
(9)根据上述项目(1)所述的电容式MEMS元件，其特征在于项目(1)所述的仅形成了上述电介质膜的区域，通过在上述低电阻金属膜中具有预定的形状的开口部来设置。
(10)根据上述项目(1)、项目(2)所述的电容式MEMS元件，其特征在于上述弹簧、上述锚定部、上述电极形成为一体结构，且由连续的金属体形成。
(11)根据上述项目(8)所述的电容式MEMS元件，其特征在于上述金属体，至少由含铝的单层膜或由含铝的膜与其他金属膜的层叠膜构成。
(12)根据上述项目(8)所述的电容式MEMS元件，其特征在于上述金属体，至少由含金的单层膜或由含金的膜与其他金属膜的层叠膜构成。
(13)根据上述项目(8)所述的电容式MEMS元件，其特征在于上述金属体，至少由含铜的单层膜或由含铜的膜与其他金属膜的层叠膜构成。
(14)根据上述项目(1)、项目(2)所述的电容式MEMS元件，其特征在于上述低电阻金属膜，至少由含铝的单层膜或由含铝的膜与其他金属膜的层叠膜构成。
(15)根据上述项目(1)、项目(2)所述的电容式MEMS元件，其特征在于上述低电阻金属膜，至少由含金的单层膜或由含金的膜与其他金属膜的层叠膜构成。
(16)根据上述项目(1)、项目(2)所述的电容式MEMS元件，其特征在于上述低电阻金属膜，至少由含铜的单层膜或由含铜的膜与其他金属膜的层叠膜构成。
(17)根据上述项目(1)～项目(14)所述的电容式MEMS元件，其特征在于上述低电阻金属膜，当在上部电极与下部电极间不施加电压时，为不与高频信号连接的浮置金属。
(18)一种高频装置，其特征在于在高频信号接通/断开开关上安装有上述项目(1)～项目(15)所述的电容式MEMS元件。
(19)一种高频装置，其特征在于在高频信号输出切换开关上安装有上述项目(1)至项目(15)所述的电容式MEMS元件。
(20)一种高频装置，其特征在于在移动电话用高频信滤波器模块上安装有上述项目(1)至项目(15)所述的电容式MEMS元件。
(22)一种高频装置，其特征在于上述项目(1)至项目(15)所述的电容式MEMS元件与有源元件一起被安装在相同的衬底上。
(23)一种高频装置，其特征在于上述项目1至项目15所述的电容式MEMS元件与其他无源元件一起被安装在相同的衬底上。
(24)一种电容式MEMS元件的制造方法，至少包括衬底；锚定部，形成在上述衬底上；弹簧，与上述锚定部连接；上部电极，与上述弹簧连接，使上述弹簧发生弹性形变，在上述衬底的上方进行运动；
下部电极，位于上述上部电极的下方，具有至少与该上部电极的一部分相对的区域，并形成在上述衬底上；电介质膜，位于形成了上述下部电极的上述衬底上，形成在上述下部电极的一部分和上述衬底上的一部分上，使得从衬底垂直方向看，至少覆盖比上述上部电极宽的区域；以及低电阻金属膜，与位于上述下部电极上的上述电介质膜的一部分连接，以至少与上述上部电极的一部分相对的形状来形成，从上述衬底的垂直方向观察，在上述上部电极与上述下部电极相对的区域内的上述下部电极上，混合存在层叠了上述电介质膜和上述低电阻金属膜的区域、仅形成了上述电介质膜的区域，层叠了上述上部电极和上述下部电极相对的区域内的上述电介质膜与上述低电阻金属膜的区域的面积，小于等于上述区域内仅形成了电介质膜的区域的面积，所述电容式MEMS元件的制造方法，包括以下步骤在上述衬底上形成由金属膜构成的上述下部电极图案的步骤；在形成了上述下部电极的上述衬底上，在包含上述下部电极上面的上述衬底上的所期望的位置，形成由电介质膜构成的图案的步骤；在层叠了上述衬底上的上述下部电极与上述电介质膜的区域的所期望的位置，形成具有所期望形状的由上述低电阻金属膜构成的图案的步骤；在形成了上述下部电极、上述电介质膜与上述低电阻金属膜的上述衬底上，形成具有所期望形状的由保护膜构成的图案的步骤；在包含上述保护膜图案的上述衬底上的所期望的位置，通过附着、加工金属膜，以一体结构形成上述锚定部、上述弹簧及上述上部电极的步骤；以及去除上述保护膜的步骤。
(25)根据上述项目(20)所述的电容式MEMS元件的制造方法，其特征在于包括在上述衬底上的所期望的位置，形成由具有所期望的电阻值的物质构成的图案的步骤。
(26)根据上述项目(20)所述的电容式MEMS元件的制造方法，其特征在于包括在上述衬底上的所期望的位置，形成具有所期望的阻抗的电感的步骤。
工业可利用性本发明的元件能用作电信号的开关元件。
特别地，能提供适用于高频信号，并使用相同元件的高频装置。另外，能提供制造这样的元件的方法。
权利要求
1.一种电容式MEMS元件，其特征在于包括绝缘性衬底；在上述绝缘性衬底上形成的下部电极；在上述下部电极上形成的电介质层；在上述电介质层上形成的导体层；以及上部电极，与上述下部电极相对且至少与上述电介质层上的导体层有间隙地配置，进行对上述电介质层上的导体层的接触/非接触的控制，其中，上述电介质层上的导体层，从上述绝缘性衬底的垂直方向观察，形成在上述上部电极和上述下部电极相对的区域，使得其相对面积的一部分存在上述电介质层上的导体层，并且，上述上部电极和上述下部电极相对的区域中存在上述电介质层上的导体层的区域的面积，小于或等于该相对区域中不存在上述电介质层上的导体层的区域的面积。
2.一种电容式MEMS元件，其特征在于包括绝缘性衬底；在上述绝缘性衬底上形成的下部电极；在上述下部电极上形成的电介质层；在上述电介质层上形成的导体层；以及上部电极，与上述下部电极相对且至少与上述电介质层上的导体层有间隙地配置，且进行对上述电介质层上的导体层的接触/非接触的控制，其中，上述电介质层上的导体层，经由对于高频信号的电阻体与所期望的电位直流连接。
3.根据权利要求2所述的电容式MEMS元件，其特征在于对于上述高频信号的电阻体，是表示大于等于1KΩ且小于1MΩ的电阻值的物质。
4.根据权利要求2所述的电容式MEMS元件，其特征在于对于上述高频信号的电阻体，是对高频信号呈大于等于1KΩ且小于1MΩ的阻抗的电感器。
5.根据权利要求2所述的电容式MEMS元件，其特征在于上述所期望的电位，是上述电介质层上的导体层与上述上部电极、上述下部电极、控制电极以及接地区域中的任一者直流连接得到的。
6.根据权利要求1所述的电容式MEMS元件，其特征在于上述电介质层上的导体层具有开口。
7.根据权利要求1所述的电容式MEMS元件，其特征在于上述电介质层上的导体层是至少含有铝的单层膜，或是包括含有铝的膜的多层金属层叠膜。
8.根据权利要求2所述的电容式MEMS元件，其特征在于上述电介质层上的导体层是至少含有铝的单层膜，或是包括含有铝的膜的多层金属层叠膜。
9.根据权利要求1所述的电容式MEMS元件，其特征在于上述电介质层上的导体层是至少含有金的单层膜，或是包括含有金的膜的多层金属层叠膜。
10.根据权利要求2所述的电容式MEMS元件，其特征在于上述电介质层上的导体层是至少含有金的单层膜，或是包括含有金的膜的多层金属层叠膜。
11.根据权利要求1所述的电容式MEMS元件，其特征在于上述电介质层上的导体层是至少含有铜的单层膜，或是包括含有铜的膜的多层金属层叠膜。
12.根据权利要求2所述的电容式MEMS元件，其特征在于上述电介质层上的导体层是至少含有铜的单层膜，或是包括含有铜的膜的多层金属层叠膜。
13.一种高频装置，其特征在于具有权利要求1至权利要求12的任意一项所述的电容式MEMS元件，该电容式MEMS元件作为高频信号的接通/断开开关。
14.一种高频装置，其特征在于具有权利要求1至权利要求12的任意一项所述的电容式MEMS元件，该电容式MEMS元件作为高频信号的输出切换开关。
15.一种高频装置，其特征在于在移动电话用的高频滤波模块中，具有权利要求1至权利要求12的任意一项所述的电容式MEMS元件。
16.一种高频装置，其特征在于权利要求1至权利要求12的任意一项所述的电容式MEMS元件与有源元件、无源元件或这两者安装在相同的衬底上。
17.一种电容式MEMS元件的制造方法，其特征在于包括在绝缘性衬底上形成下部电极的步骤；在包括上述下部电极上面的上述绝缘性衬底上的所期望的位置形成电介质膜的步骤；在上述绝缘性衬底上的上述下部电极和上述电介质膜层叠的区域的所期望的位置形成导体层图案的步骤；在形成有上述下部电极、上述电介质膜、以及上述低电阻金属膜的上述绝缘性衬底上形成保护膜的步骤；在包括上述保护膜的上述绝缘性衬底上的、与上述下部电极相对的位置上形成上部电极的步骤；以及去除上述保护膜的步骤。
全文摘要
提供能得到对于高频信号良好的开关特性的电容式MEMS元件及其制造方法、安装有该元件的高性能高频装置。本发明的元件的代表例子为，电容式MEMS元件具有上下运动的由金属膜构成的上部电极，和位于与该上部电极相对的下部电极上的电介质膜上的导电层。并且，上部电极与下部电极相对的区域中存在电介质层上的导体层的区域的面积，小于等于该相对区域中不存在电介质层上的导电层的区域的面积。
文档编号H01P1/12GK1922755SQ20048004206
公开日2007年2月28日 申请日期2004年7月29日 优先权日2004年7月29日
发明者寺野昭久, 矶部敦 申请人:日立视听媒体股份有限公司