具有可动电极的可动电气设备的制作方法
【专利摘要】提供能够抑制因热膨胀而引起的可动电极位移的可动电气设备。可动电气设备具有：支撑衬底；第一以及第二固定电极，其形成于支撑衬底上，具有相对于支撑衬底的表面大致垂直的相向电极面，在相向电极面之间划定内腔；可动部，其具有可动电极和弯曲弹簧部，可动电极的第一端接近第一固定电极，第二端接近第二固定电极，弯曲弹簧部与可动电极的第一端、第二端的至少一方连续，且包含向可动电极的厚度方向弯曲的部分；第一、第二固定件，其配置在支撑衬底上，支撑可动部的两端。
【专利说明】具有可动电极的可动电气设备
【技术领域】
[0001 ] 本发明的实施例涉及具有可动电极的电气设备。
【背景技术】
[0002]在移动电话、车载雷达等中，作为在500MHz?IOOGHz的射频(RF)频带使用的电气设备，有可变电容、开关。
[0003]可变电容元件一般来说构成为:将固定电极和可动电极相对配置，通过使可动电极位移来使电容变化。为了防止短路，例如，利用电介质膜覆盖固定电极表面。若不用电介质膜覆盖固定电极表面，而是使可动电极能够与固定电极接触，则能够形成开关。能够通过压电驱动、静电驱动等而使可动电极位移。在携带用电子设备等中要求实现小型轻量化，开发出了应用了 MEMS (microelectro-mechanical system:微机电系统)的可变电容元件、开关。
[0004]已知如下的结构:在支撑衬底表面上形成固定电极，在固定电极的上方，借助柔性梁等支撑与固定电极的面呈面相向的可动电极，通过控制电极间距离来使电容变化(例如，参照特开2006-147995号公报)。
[0005]图16的16A表示这样的可变电容元件的结构例。可变电容元件由使一个电极可以移动的具有平行平板结构的可变电容元件和密封该可变电容元件的容器结构构成。
[0006]在硅等的半导体衬底101的表面上隔着绝缘层102形成有面状的固定电极103、可动电极支撑用的固定件(anchor) 106。固定件106借助U字形的柔性梁105将面状的可动电极104支撑于固定电极103上方。柔性梁105是与可动电极103配置在同一平面上的U字形梁，允许在面法线方向(厚度方向)上的位移。以包围可变电容元件的外周的方式形成有包括侧壁110、顶棚111的容器。通过该容器，能够在稀有气体等的非活性气体环境中或被减压的环境中密封可变电容元件，若用金属材料形成容器，则还能够实现电隔离。
[0007]若在固定电极103和可动电极104之间施加电压V，则通过静电力将可动电极104吸引至固定电极103。若可动电极104向固定电极103 —侧位移，则柔性梁105弯曲，通过与位移量成正比例的恢复力，作用使可动电极104返回至相反方向的力。可动电极104位移至静电力和恢复力平衡的位置，只要施加电压V，就保持在平衡位置。
[0008]若使电压V为零，则通过柔性梁105的恢复力，可动电极104返回至原来的位置。因此，由固定电极103和可动电极104构成的电容元件作为能够通过施加电压V来控制静电电容的可变电容元件发挥功能。
[0009]图16的16B是表示可变电容元件的另一个结构例的剖视图。在硅等的半导体衬底101的表面上隔着绝缘层102形成有面状的固定电极103，以覆盖固定电极103的方式在绝缘层102上形成有绝缘层112。在绝缘层112上形成有固定件106。固定件106借助柔性梁105将面状的可动电极104支撑在由绝缘层112覆盖的固定电极103的上方。以包围可变电容元件的外周的方式形成有包含侧壁110、顶棚111的容器。由于利用绝缘层112覆盖固定电极103的表面，所以防止电极彼此短路。[0010]即使在利用电介质膜覆盖固定电极的情况下，在反复进行接通/关断(0N/0FF)动作的期间，电介质膜充电，由此，也会产生即使关断外部电源可动电极也不与电介质膜分离的粘附(sticking)现象。也研究了基于驱动波形的对策，但没能解决。
[0011]将利用信号波形调制高频信号的包络线(envelope)并施加到可动电极的情况下，会产生因基于信号波形的电位差而导致可动电极移动的称为自引动(self actuation)的现象。为了防止自引动，有根据投入信号的电力来增加驱动电压的方法。而若增加驱动电压，则更容易产生粘附现象。另外，为了确保更高的电压，有时需要设置升压电路。
[0012]电容元件的电极并非都平行地形成于衬底表面，还能够垂直地形成于衬底表面(例如，参照特开2001-304868号)。例如，利用SOI(silicon-on-1nsulator:绝缘衬底上的硅)衬底加工活性硅层，能够形成具有与衬底表面垂直的电极的可变电容，其中，SOI衬底是指，在支撑(单晶)硅衬底上表面上，隔着作为结合层的硅氧化膜设置有活性(单晶)硅层的衬底。
[0013]对活性硅层掺入磷、硼等的杂质而使活性硅层低电阻化。在活性硅层上形成抗蚀掩模，利用反应性离子蚀刻等蚀刻活性硅层，来将固定件、各种梳齿状电极以及各种焊盘部等留在硅氧化膜上。将梳齿状电极组合为交叉指形(interdigital)来形成电容。各电极垂直地成形于支撑娃衬底表面。
[0014]利用氟酸水溶液等选择性地蚀刻以去除氧化硅膜，将活性硅层与支撑硅衬底分离，能够赋予位移的自由度。能够形成振子、梁、梳齿状电极等。在各种焊盘部上蒸镀铝等来形成电极焊盘。得到如下的结构:形成于支撑衬底上方的各部分由与支撑衬底绝缘的低电阻层构成，而且振子、梁、梳齿状电极等浮在从支撑衬底高出规定距离的位置并且利用固定件以能够振动的方式支撑于支撑衬底。
[0015]专利文献1:特开2006-147995号公报
[0016]专利文献2:特开2001-304868号公报
【发明内容】
[0017]本发明的一个目的在于提供抑制因热膨胀引起的可动电极的位移的可动电气设备。
[0018]本发明的另一个目的在于提供能够降低可动电极驱动所需的驱动电压的可动电气设备。
[0019]根据本发明的一个观点，提供一种可动电气设备，其具有:
[0020]支撑衬底，
[0021]一对固定件，其形成在上述支撑衬底上，
[0022]可动部，其支撑在上述一对固定件之间并且垂直于上述支撑衬底的表面，具有可动电极和弯曲弹簧部，上述可动电极具有沿着上述支撑衬底的表面且从第一端部向第二端部延伸的长的板状形状，在两侧具有第一侧面、第二侧面，上述弯曲弹簧部与上述可动电极的端部连续，包含向上述可动电极的厚度方向弯曲的部分，
[0023]第一固定电极，其形成在上述支撑衬底上，具有与上述可动电极的第一侧面相向的第一相向面，
[0024]第二固定电极，其形成在上述支撑衬底上，具有与上述可动电极的第二侧面相向的第二相向面。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1的1A、1B、1C示出了两端固支梁结构的可变电容元件的基本结构、基本动作、与温度上升对应的动作，是可变电容元件的剖视图，IDUE是本
【发明者】们之前的提案的可变电容元件的俯视图、剖视图。
[0026]图2的2A是表示第一实施例的具有可变电容元件的电气设备的概略立体图，2B、2C是表示可变电容元件的两个动作状态的俯视图。
[0027]图3的3A?3F是说明第一实施例的可变电容元件的动作的俯视图。
[0028]图4-1、图4-2、图4-3的4A?4L是表示第一实施例的具有可变电容元件的电子设备的制造工序的剖视图。
[0029]图5-1、图5-2的5A?5E是图4-1的4C、4D、图4-2的4E、图4-3的4J、4K的状态的俯视图。
[0030]图6的6A、6B是表示具有可变电容元件的电子设备的应用电路的两个例子的等价电路图。
[0031]图7的7A?7C是表示具有变形例的具备限位器的可变电容元件的电子设备的概略俯视图。
[0032]图8-1的8A是表示第二实施例的具有多接点开关的电气设备的概略立体图，图8-2的8BP?8EP是表示多接点开关的四个状态的俯视图，8BD?8ED是多接点开关的四个状态的等价电路图。
[0033]图9的9AP?9DP是表示将多接点开关短路并将可动电极作为电感元件使用的应用例的四个状态的俯视图，9AD?9DD是四个状态的等价电路图。
[0034]图10的IOA是表示电感元件的立体图，IOBP?IOEP是表示在串联连接的电感元件的节点上连接了多接点开关的应用例的四个状态的俯视图，图1OBD?IOED是四个状态的等价电路图。
[0035]图11的IlA?IlE是表示高电感元件的制造工序的概略剖视图。
[0036]图12的12A?12E是表示变形例的可动部的形状的示意图。
[0037]图13的13A、13B、13C、13D是表示具有可动电极的电气设备的应用例的示意图。
[0038]图14的14A、14B是说明利用具有可动电极的电气设备进行的阻抗匹配的示意图。
[0039]图15是表示可调RF的前端(front end)的结构例的等价电路图。
[0040]图16的16A、16B是表示现有技术的可变电容元件的构成例的剖视图。
【具体实施方式】
[0041]在数字型的可变电容元件中，形成电容在可动电极与固定电极分离的状态(OFF状态)下为最小值，形成电容在可动电极隔着电介质膜与固定电极接触的状态(0N状态)下为最大值。在这两个状态下使用可变电容。在很多情况下，需要将OFF状态和ON状态的电容之比设定在设计范围内。
[0042]图1的IA?IC是表示具有简化的形状的可变电容元件的三个状态的剖视图。如图1的IA所不,在衬底101的表面上层叠有固定电极103、绝缘层112,支撑于衬底101的表面的固定件106，以两端固支梁结构支撑可动电极104。可动电极104与固定电极103上的绝缘层112分离，处于OFF状态。
[0043]如图1的IB所示，若在固定电极103和可动电极104之间施加直流偏置电压V，则产生静电引力，可动电极104被吸引到固定电极103，变成与绝缘层112紧贴的状态。这种状态为ON状态。
[0044]研究例如可动电极104为金属，衬底101为半导体这样的可动电极104具有比衬底101大的热膨胀系数的情况。
[0045]如图1的IC所示，随着温度上升，可动电极104表现出比衬底101大的热膨胀。因此，可动电极104因热膨胀而长度增加，不能完全容纳在固定件106之间。为了释放产生的应力，可动电极104例如变为向上方位移的形状104x，以吸收热膨胀。于是，可动电极104x和固定电极103之间的距离增大，OFF状态的电容减少。在可动电极104的梁部为了吸收热膨胀而向下方位移的情况下，OFF状态的电容增加。
[0046]不管哪种情况，OFF状态的电容都产生变化而与设计值不同，有可能得不到所希望的电路功能。在可动电极和固定电极的距离增大的情况下，用于吸引可动电极所需的电压增大，有时在设计的电压下不能变为0N。因此，期望即使因温度变化而产生膨胀、收缩，可动电极和固定电极之间的距离也保持为恒定的结构。
[0047]图1的1D、1E是表示本
【发明者】们之前提案的可变电容元件的俯视图以及剖视图。如图1的ID所示，可动电极ME沿着倾斜方向配置在内腔CV内，两端由固定件ANCl、ANC2支撑。如图1的IE所示，固定件ANCl、ANC2固定在SOI衬底的支撑衬底SS上，固定件ANCl、ANC2以在使可动电极ME与支撑衬底SS分离并位于支撑衬底SS的上方的状态，支撑可动电极ME。
[0048]如图1的ID所示，在可动电极ME的两侧，在内腔CV的侧面配置有第一、第二固定电极FE1、FE2。平行地配置第一、第二固定电极FE1、FE2，将可动电极ME配置为在右端接近第一固定电极FE1，在左端接近第二固定电极FE2。相向电极之间的距离越短，两者之间的静电力越强。
[0049]在电容最大状态下，可动电极ME隔着绝缘膜IFl被吸引至第一固定电极FEl (此时，为ON状态)，在电容最小状态下，可动电极ME隔着绝缘膜IF2被吸引至第二固定电极FE2(此时，为OFF状态)。不管在ON状态还是OFF状态下，可动电极都会被吸引至两个固定电极中的某一个，电容不会发生变化。从OFF状态至ON状态的切换和从ON状态至OFF状态的切换，都是通过施加在可动电极和第一固定电极或者可动电极和第二固定电极之间的电压所引起的静电引力而积极地进行的。
[0050]可动电极倾斜地配置在一对固定电极之间，即使在可动电极被吸引到一个固定电极的状态下，可动电极的一部分仍旧保持在另一个固定电极附近。在可动电极ME被吸引到第一固定电极FEl的情况下,若在第二固定电极FE2和可动电极ME之间施加电压,贝U会在可动电极ME左端附近，在可动电极ME和配置在其附近的第二固定电极FE2之间产生很强的静电引力。因此，易于从可动电极ME左端缓缓地使可动电极ME与第一可动电极FEl分离。在可动电极ME被吸引到第二固定电极FE2的情况下，若在第一固定电极FEl和可动电极ME之间施加电压，则出于相同的原理，易于从可动电极ME的右端缓缓地使可动电极ME与第二固定电极FE2分离。[0051]即使在产生在可动电极被吸引到一个固定电极上时关断电源也不能使可动电极与该一个固定电极分离的粘附现象的情况下，通过在另一个固定电极和可动电极之间施加电压，易于利用静电引力使可动电极分离。从而易于抑制粘附现象。
[0052]第一、第二固定电极的一方可以是不在电气电路中发挥功能的虚拟(dummy)电极。当然也可以作为可对比地存在0N/0FF状态的可变电容，而积极地利用这两个固定电极。在半导体衬底表面上形成板状电极的情况下，不易形成相对于固定电极表面呈倾斜的关系的可动电极，但在使用SOI衬底，形成相对于半导体衬底表面几乎垂直的电极的情况下，仅改变图案形状就能够实现在平行电极之间的倾斜电极。
[0053]在图1的ID中，若随着温度上升，可动电极ME表现出比支撑衬底SS大的热膨胀，则可动电极ME向上下的某一方弯曲，以吸收热膨胀量。相对于第一、第二固定电极FE1、FE2对称的可动电极ME的特性会向某一方偏离。例如，初始驱动所需的电压会发生变化。本
【发明者】们研究了在之前提案的结构中嵌入能够吸收热膨胀量的结构。
[0054]以下，参照附图，说明实施例的可变电容元件。
[0055]图2的2A是第一实施例的可变电容元件的概略立体图。使用通过键合氧化硅膜52在支撑硅衬底51上结合了活性硅层53的SOI (silicon oninsulator)衬底。例如，支撑硅衬底51具有300 μ m?500 μ m的厚度，键合氧化硅膜52具有2 μ m?7 μ m的厚度。活性硅层53是500 Ω cm以上的高电阻率的单晶硅层，具有20 μ m?30 μ m例如25 μ m的厚度。
[0056]埋入贯通活性硅层53的整个厚度的沟道，并将固定电极11、12形成为固定电极
11、12的相向侧面相平行。在固定电极11、12之间的区域中，在制造时，埋入贯通活性硅层53的整个厚度的沟道，并形成包含可动电极ME、弯曲弹簧部SP1、SP2的可动部10，该弯曲弹簧部SP1、SP2与可动电极ME的两端连续，从可动电极ME的延长面开始弯曲，折回后而再次位于可动电极的延长面上。可动部10的两端被固定件16、17支撑。之后，去除固定电极
11、12之间的活性硅层53、在其下方的键合氧化硅膜52，在固定电极11、12间形成内腔CV，确保可动部10的自由度。
[0057]可动部10、固定电极11、12的相向侧面的高度与活性硅层53的厚度相同，为20 μ m?30 μ m,例如，为25 μ m。例如，间隔20 μ m的距离相向配置长度为500 μ m的固定电极11、12。可动电极ME例如厚度为2μπι?5μπι，长度比固定电极11、12长。弯曲弹簧部SPl、SP2例如具有与可动电极ME相同的厚度、宽度。
[0058]图2的2B、2C是表示可变电容元件的两个动作状态的俯视图。参照图2的2B。为了防止电极间的短路，在固定电极的表面上形成有绝缘膜13。例如用氮化硅的绝缘膜13覆盖固定电极11、12的表面，来防止可动电极ME和固定电极11、12之间的短路。在本实施例中，在固定件16、17的表面上也形成绝缘膜13，促进可变电容的电极和周围的活性硅层53之间的绝缘。在可动电极ME的表面未形成绝缘膜，确保可动电极的柔软性，避免绝缘膜的剥离。
[0059]在平行配置的固定电极11、12的侧壁之间，以在图中在左侧低、在右侧高的方式非对称地配置可动电极ME。以从固定件16的图中下端向固定件17的图中上端延伸的方式形成可动电极ME。即，靠近固定件16的可动电极ME的左部分配置成与固定电极11相比更靠近固定电极12，靠近固定件17的可动电极ME的右部分配置成与固定电极12相比更靠近固定电极11。
[0060]若在可动电极ME和固定电极12之间施加电压，则通过静电引力将可动电极ME吸引到固定电极12。可动电极ME在距离固定电极12近的可动电极ME的左部分，被吸引到固定电极12，渐渐地可动电极ME的右侧部分也被吸引到固定电极12。由于可动电极ME的右端配置成与固定电极12相比更靠近固定电极11，所以与固定电极12分离。
[0061]参照图2的2C。若在可动电极ME和固定电极11之间施加电压，则通过静电引力将可动电极ME吸引到固定电极11。由于可动电极ME的右端配置成与固定电极12相比更靠近固定电极11，所以右端迅速地被吸引到固定电极11，渐渐地可动电极ME的左侧部分也被吸引到固定电极U。
[0062]像这样，在相向配置的固定电极11、12之间，可动电极倾斜地配置成一端靠近固定电极11，另一端靠近固定电极12，因此，不管被吸引到哪一个固定电极，都具有引力易于作用的部分，能够迅速地进行变更动作。
[0063]如图3的3A所示，弯曲弹簧部SP1、SP2与板状的可动电极ME的两端连续，弯曲弹簧部SP1、SP2的两端与固定件16、17连续。弯曲弹簧部SP1、SP2具有如下的形状:彼此从由可动电极ME规定的平面向相反的厚度方向弯曲，折弯返回，弯曲后再次返回由可动电极ME规定的平面。将可动电极ME的过度到弯曲部SPl的端部作为ED1、过度到SP2的端部作为ED2。通过在形成于活性硅层53的沟道部内填充镀层，来形成连续的板状的可动电极ME、弯曲弹簧部SP1、SP2、固定件16、17。
[0064]如图3的3B所示，可动部10存在具有如下的弯曲角的弯曲:从可动电极ME过度到弯曲弹簧部SP1、SP2的区域的弯曲角α1、α 2，在弯曲弹簧部SP1、SP2的中间的弯曲角β1、β 2，弯曲弹簧部端部的弯曲角Y 1、Y 2。三个个弯曲角α、β、Y形成一个弯曲部。这些弯曲的角度根据应力而变化。例如，若对弯曲部的两端作用朝向外侧的力，则β扩展某个角度，α、Y扩展其一半的角度，弯曲部的宽度扩展。若对弯曲部的两端作用朝向内侧的力，则产生减少角度的角度变化，弯曲部的宽度变窄。
[0065]与使电极自身的长度伸缩的情况相比，通常，角度的变化所需的力较小。若使弯曲角度变化，则能够使可动部10整体的长度、弯曲弹簧部SP1、SP2相对于可动电极ME的相对角度变化。与可动部由同样的矩形板部形成的情况相比，能够利用更小的应力使在矩形板部的两端连接弯曲弹簧部的可动部的长度变化，也能够使其端部的角度变化。
[0066]研究如下的情况:如图3的3C所示，随着温度变化，可动部10和衬底表现出不同的热膨胀，在固定的固定件16、17之间可动部10欲相对地伸长。弯曲弹簧部SP1、SP2受到来自可动电极ME和固定件16、17的压缩应力。根据该应力，弯曲角β1、β 2减少，可动部10能够吸收可动电极ME的热膨胀。弯曲角α、Y减少的角度为弯曲角β减少的角度的1/2，并且保持可动电极的延伸方向。在可动部10为相对收缩的情况下，角度变化变为增加。
[0067]像这样，弯曲角β的变化能够使沿着可动电极ME的延伸方向的弯曲弹簧部SPl、SP2的长度(将该长度称为弹簧长)变化,从而能够使可动部10的长度变化。弯曲角α、y的变化使弯曲弹 簧部SP1、SP2相对于可动电极ME以及固定件16、17的相对角度变化。
[0068]研究如下的情况:如图3的3D所示，在可动电极ME和固定电极11之间施加电压，来产生静电引力。可动电极ME的右端比左端更靠近固定电极11。在可动电极ME的右端附近，受到来自固定电极11的很强的静电引力。在弯曲弹簧部SP2中，若弯曲角α2或者Υ2中至少一个增大，则可动电极ME的右侧接近固定电极11。若弯曲角β2增大，则弯曲弹簧部SP2的弹簧长增大，从而能够增大可动电极ME的全长。通过这样的弯曲弹簧部的各角度的变化，易于将可动电极ME的右端部吸引到固定电极11。
[0069]相向电极间的距离越短，静电引力越大。一旦，可动电极ME的右端接触固定电极11，则此后，像拉上拉锁那样，可动电极ME从右向左增加接触区域。在这样的变形过程中，在大多情况下，需要增加可动部10的长度。在弯曲弹簧部SPl中，角度β I增大，角度α 1、Y I变化相应的角度，由此，长度也易于变化。
[0070]优选地，在弯曲弹簧部SPl中，与可动电极ME连续的端部Ell在与固定电极11、12的主面垂直的内腔宽度方向(图中的上下方向)上，位移与固定件16连续的端部Ε12和固定电极12之间的在内腔宽度方向上的距离的1/3以上。通过位移1/3以上的距离，利用牵引(pull in)现象,得到与可动电极ME连续的端部Ell和固定电极12之间稳定的接触。若与可动电极ME连续的端部Ell的位移少，则变为可动电极ME的一部分与固定电极12接触，可动电压减少的效果变小。
[0071]同样地，在弯曲弹簧部SP2中，从确保与可动电极ME连续的端部E21和固定电极11之间稳定的接触的观点来看，优选地，与可动电极ME连续的端部E21在与固定电极11、12的主面垂直的内腔宽度方向(图中的上下方向)上，位移与固定件17连续的端部E22和固定电极11之间的在内腔宽度方向上的距离的1/3以上。
[0072]图1的ID所示的不具有弯曲弹簧部的之前提案的可动电极的驱动电压为15V。而在可动电极的两端设置有弯曲弹簧部的本实施例的样本中，驱动电压降为12V。体现出有效地降低了驱动电压。
[0073]图3的3E表示可动部10的可动电极ME最接近固定电极11的ON状态。在该状态下，可动电极ME的左端、弯曲弹簧部SPl也保持靠近固定电极12的状态。
[0074]如图3的3F所示，切断在可动电极ME和固定电极11之间的电压，并在可动电极ME和固定电极12之间施加电压。可动电极ME和固定电极11之间的静电引力消失。在可动电极ME特别是其左端与固定电极12之间产生静电引力，在弯曲弹簧部SPI产生与在图3的3D的弯曲弹簧部SP2产生的现象同样的现象，以将可动电极ME的左端部吸引至固定电极12。此后，接触区域从左侧朝向右侧扩大。确立OFF状态。
[0075]在图2的2A中，可动电极ME、弯曲弹簧部SP1、SP2、固定电极11、12、固定件16、17例如以Au或者Cu为主成分，由相同的镀敷工序形成。可变电容由固定电极11、12、可动电极ME、弯曲弹簧部SP1、SP2、支撑可动部的固定件16、17构成。在一个固定电极11的不与可动电极相向的上表面(作为电容的侧面)上，形成有厚度为0.2 μ m?0.5 μ m的氧化硅、氮化硅、铝等的电介质膜18，在其上形成有以AiuAl等为主成分的电极19，由此形成固定电容。并且，形成从固定电极11、12的上表面向外部延伸的S1-Cr合金膜的电阻元件21、22，在电阻元件的另一端连接有电极23、24。固定件16与高频信号线路31、32之间的电极25连接。
[0076]以下，参照图4-1、图4-2以及图4-3的4A?4L，说明包含图2的2A示出的可变电容元件的半导体装置的制造方法的主要工序。图4-1、图4-2以及图4-3的4A?4L是沿着图2A的IV-1V线的剖视图。[0077]如图4-1的4A所示，准备如下的SOI衬底:在例如厚度为300 μ m?500 μ m的硅衬底51上，隔着例如厚度为约5 μ m的键合氧化硅膜52，结合具有500 Ω cm以上的高电阻率的厚度为25 μ m的活性硅层53。
[0078]如图4-1的4B所示，在活性硅层53上形成抗蚀图案PRl，该抗蚀图案PRl具有划定固定电极容置用的沟道TR1、TR2的开口。抗蚀图案PRl还具有划分固定件的开口。将抗蚀图案作为掩膜，例如，通过深层反应离子蚀刻(de印RIE)蚀刻活性硅层53的整个厚度。深层反应离子蚀刻使用CF4 (+02)、SF6 (+02或者+H2)，来作为Si蚀刻气体。此后，去除抗蚀图案PRl。
[0079]如图5-1的5A所示，例如，沟道TR1、TR2具有以20 μ m的距离相向配置的长度为500μπι的平行的侧面。右侧的沟道TR2宽度较宽，是为了在其上形成固定电容。固定件用沟道TR3、TR4具有在固定电极间支撑可动电极的构成。上侧的固定件与电极连接。
[0080]如图4-1的4C所不，通过利用了甲娃烧、乙娃烧等的娃烧系气体和氣气的CVD(Chemical Vapor Deposition:化学气相沉积)或者低压(LP) CVD，在衬底表面上沉积厚度为0.Ιμπι?0.5μηι的氮化娃膜54。利用氮化娃膜54覆盖露出的活性娃层53、键合氧化硅膜52表面。该氮化硅膜54作为覆盖固定电极表面的绝缘膜发挥功能。图5-1的5Α以透视的方式，示出在沟道表面沉积的氮化硅膜54。
[0081]如图4-1的4D所示，在氮化硅膜54上形成具有划定可动部10的开口的抗蚀图案PR2，通过深层反应离子蚀刻来蚀刻在开口内露出的活性硅层53的整个厚度，从而形成狭缝SL。图5-1的5Β示出开口的平面形状。在氮化硅膜54沉积之后形成可动电极用的狭缝，由此，在可动电极表面不形成绝缘膜。通过使可动电极与固定件形成用沟道侧壁的一部分重叠，来确保可动电极和固定件的电导通。
[0082]去除抗蚀图案PR2，成为图4-2的4Ε、图5-1的5C所示的状态。在沟道TRl?TR4处，去除活性硅层53的整个厚度，并在各沟道的内表面上沉积有氮化硅膜54。狭缝SL不具有氮化硅膜54，以例如约2 μ m的规定的宽度贯通活性硅层53的整个厚度。
[0083]如图4-2的4F所示，在衬底表面上沉积例如厚度为50nm左右的Ti层，在Ti层上沉积厚度为500nm左右的Au层，由此形成种子层55。也可以使用厚度为50nm左右的Cr层，来代替Ti层。种子层55为在电镀时的供电层。
[0084]如图4-2的4G所示，形成覆盖不需要镀敷部分的种子层55的抗蚀图案PR3，用镀敷沉积Au层56，回填沟道TR、狭缝SL。此外，也可以电镀Cu，来代替Au。此后，去除抗蚀图案PR3，通过蚀刻或者研磨等去除露出的种子层55。
[0085]如图4-2的4H所示，在形成有电极的衬底上形成电介质膜图案化用的抗蚀图案PR4，通过溅镀来沉积厚度为0.2 μ m?0.5 μ m的氧化硅膜、氮化硅膜或者氧化铝膜等的电介质膜18，一并剥离在抗蚀图案PR4上沉积的电介质膜与抗蚀图案PR4。
[0086]如图4-3的41所示，在去除抗蚀图案PR4的衬底上形成电阻元件图案化用的抗蚀图案PR5，通过溅镀来沉积Cr-Si合金膜，剥离并去除抗蚀图案PR5上的Cr-Si合金膜。例如，使用Si (70-90 ):Cr (30-10)的溅镀靶材形成厚度为0.2 μ m左右(薄膜电阻300-600 Ω )的S1-Cr合金膜，以形成电阻元件21、22。此外，也可以在形成电介质膜之前形成电阻膜。
[0087]如图4-3的4J所示，在去除了抗蚀图案PR5的衬底上形成电极图案化用的抗蚀图案PR6，通过溅镀来沉积厚度为I μ m左右的Ti/Au层叠或者Ti/Al层叠的电极，剥离并去除抗蚀图案PR6上的电极。以上述方式形成图5-2的示出的电极19、23、24、25。
[0088]如图4-3的4K所示，在衬底上形成在固定电极之间的区域具有开口的抗蚀图案PR7，通过利用了 CHF3气体的干式蚀刻来对氮化硅膜54进行蚀刻，通过利用了 SF6气体和CF4气体的深层反应离子蚀刻来去除露出的硅层。在图5-2的5E中，标付有斜线的区域为蚀刻对象区域。
[0089]如图4-3的4L所示，通过利用了 CF4气体的干式蚀刻来去除露出的氧化硅膜52。此外，还能够通过利用了缓冲氢氟酸的湿式蚀刻或利用了气相(vapored)氢氟酸的气相蚀刻来去除氧化硅膜。若利用具有各向同性的蚀刻来去除氧化硅膜，则通过侧面蚀刻，来去除在从露出区域进入周围的区域中的氧化硅膜。由此，能够制造如图2的2A所示的具有可变电容的半导体装置。[0090]可变电容在ON状态和OFF状态下，表现出例如0.9pF (OFF状态)~5.6pF (ON状态)左右的电容变化。
[0091]图6的6A是表示以上述方式构成的可变电容的应用电路的一个例子的等价电路图。在高频线路31-25-32的节点25上连接有包含可动电极ME的可动部10，在固定电极11与固定电极12之间形成有可变电容33、34。固定电极11经由固定电容35接地，并且经由电阻元件21与开关SW的端子24连接。另一个固定电极12经由电阻元件22与开关SW的另一个端子23连接，由此构成可变电容电路39。在开关SW的切换端子和高频线路之间连接有串联连接的直流电源36和电感37。为了在实质上防止高频泄漏，优选地，电阻元件21,22为IOkQ以上，电感37为约IOOnH以上。
[0092]在高频信号线路31-25-32上连接可变电容33、34，在可变电容33和地之间连接固定电容35，在可变电容33、34和外部电源36之间连接有电阻元件21、22。在外部电源36的另一极与高频信号线路31-25-32之间连接有电感37，以阻挡高频成分。利用电阻元件21、22，防止经过高频信号线路31-25-32的信号向外部电源36泄漏。利用固定电容35来防止外部电源和地之间的短路。根据可动电极ME被吸引到固定电极11 一侧，还是被吸引到固定电极12 —侧，来选择两种数字状态的一种。
[0093]图6的6B是表不应用电路的另一种结构例的等价电路图。在闻频/[目号线路31-25-32上连接有多个可变电容电路39-1、…39_i，这些可变电容电路39_1、…39_i经由外部电源36-1、…36-1与共用电感37连接。多个可变电容电路的电容值具有差值，与多位(bit)对应。该应用电路为适应于多位电路的结构。
[0094]在上述的实施例中，通过调整固定件和可动电极的连接位置，来将可动电极倾斜地配置在相向固定电极之间的空间内，易于改变可动电极的状态。并且，能够设置限制可动电极的移动范围的限位器(stopper )。
[0095]如图7的7A所示，在与由固定件16、17支撑的弯曲弹簧部SP1、SP2连接的可动电极ME的两端附近，配置限位器41a、41b。在限位器41a与固定件16之间容置弯曲弹簧部SPl,以确保弯曲弹簧部SPl的位移性、变形性，并且使可动电极ME的左端配置在固定电极12附近的空间内。在限位器41b与固定件17之间容置弯曲弹簧部SP2，以确保弯曲弹簧部SP2的位移性、变形性，并且使可动电极ME的右端配置在固定电极11附近的空间内。
[0096]如图7的7B所示，在可动电极ME与上侧的固定电极11之间施加偏压V，使得在可动电极ME和固定电极11之间产生静电引力。可动电极ME在靠近上侧的固定电极11的右端部分受到较强的静电引力，由此被吸引到上侧的固定电极。可动电极ME在配置在靠近下侧的固定电极12的左端部分，在可动电极ME与上侧固定电极11之间配置有限位器41a，以防止可动电极ME向上侧的固定电极11靠近，并确保可动电极ME隔着狭窄的间隙与下侧的固定电极12相向配置的区域。
[0097]如图7的7C所示，在可动电极ME与下侧的固定电极12之间施加偏压V，使得在可动电极ME和固定电极12之间产生静电引力。可动电极ME在靠近下侧的固定电极12的左端部分受到较强的静电引力，由此被吸引到下侧的固定电极。可动电极ME在配置在靠近上侧的固定电极11的右端部分，在可动电极ME与下侧固定电极12之间配置有限位器41b，以防止可动电极ME向下侧的固定电极12靠近，并确保可动电极ME隔着狭窄的间隙而与上侧的固定电极11相向配置的区域。
[0098]通过确保配置于各固定电极附近的宽度，能够在驱动时可靠地对可动电极施加驱动力。限位器41是通过改变图4-1的4B所示的在蚀刻时的图案来形成的。在图4-1的4C、图5-1的5A所示的工序中，在限位器表面上形成绝缘膜。此外，图示了将限位器形成为圆柱形状的情况，但不限于该形状，只要在限位器与可动电极相抵接的部分不产生过度的应力，也能够采用其他的形状。
[0099]若不在固定电极表面形成绝缘膜，则还能够利用可动电极和固定电极来形成开关。还能够形成驱动用的固定电极和开关用的接点。还能够通过形成多接点开关来形成可变电感等。
[0100]图8-1的8A表示第二实施例的多接点开关的构成例。主要说明与图2的2A、2B、2C示出的可变电容元件不同点。在固定件16、17之间，支撑有在可动电极ME两端具有弯曲弹簧部SP1、SP2的可动部，就与可动部的一个侧面相向地配置第二固定电极12这一点而言，与图2的2A-2C的实施例相同。将第一固定电极11分割为四个分割部分11-1、11_2、11-3、11-4，这四个分割部分分别能够选择性地连接于驱动电压。在与可动电极相邻的分割部分之间配置有使导体露出的接点CT1、CT2、CT3。若可动电极ME被缓缓地吸引到固定电极11，则可动电极ME依次与接点CT1、CT2、CT3之间接触。
[0101]图8-2的8BP表示可动电极ME被吸引到第二固定电极12，与接点CT1、CT2、CT3全部断开(OFF)的情况。图8-2的8BD是表示该状态的等价电路。此外，在该多节点开关与电压源V之间，连接有电阻、电感成分L等的高频模块RFB。
[0102]图8-2的8CP表不可动电极ME被吸引到第一固定电极11的第一、第二分割部分11-1、11-2，接点CTl成为关闭(ON)的状态。图8-2的8⑶是表示该状态的等价电路。
[0103]图8-2的8DP表不可动电极ME被吸引到第一固定电极11的第一、第二、第三分割部分11 -1、11 -2、11 -3，接点CT1、CT2成为关闭(ON )的状态。图8_2的8DD是表示该状态的等价电路。
[0104]图8-2的8EP表示可动电极ME被吸引到第一固定电极11的第一-第四全部分割部分11-1?11-4，接点CTl?CT3成为关闭(ON)的状态。图8_2的8ED是表示该状态的等价电路。
[0105]说明了接点CT1、CT2、CT3依次关闭(ON)的动作，也能够使接点CT3、CT2、CTl依次断开(OFF)。这样的使多个接点依次关闭/断开(0N/0FF)的多接点元件例如能够用于改变多级电路的级数。以下，说明利用多接点元件来形成可变电感的情况。[0106]如图9的9AP所示，用良导体CD将多个接点CT1、CT2、CT3短路。利用可动电极ME来作为低电感元件，将可动电极ME的电感分为四个电感L1、L2、L3、L4，并且这四个电感能够依次短路、恢复。图9的9AP表示可动电极ME被吸引到第二固定电极12，接点CT1、CT2、CT3为全部断开(OFF)的状态。图9的9AD是该状态的等价电路图。此时是在端子间串联连接可动电极的四个电感L1、L2、L3、L4的状态。
[0107]图9的9BP表示在可动电极ME与固定电极11的第一、第二分割部分11_1、11_2之间施加驱动电压V，使可动电极ME与接点CTl接触的状态。可动电极ME的一个电感LI被良导体CD短路。图9的9BD是该状态的等价电路图。在端子间串联连接有可动电极的三个电感L2、L3、L4。
[0108]图9的9CP表示在可动电极ME与固定电极11的第一、第二、第三分割部分11_1、11-2U1-3之间施加驱动电压V，使可动电极ME与接点CT1、CT2接触的状态。可动电极ME的两个电感L1、L2被良导体CD短路。图9的9CD是该状态的等价电路图。在端子间串联连接有可动电极的两个电感L3、L4。
[0109]图9的9DP表示在可动电极ME与固定电极11的全部分割部分11_1?11_4之间施加驱动电压V，使可动电极ME与接点CT1、CT2、CT3接触的状态。可动电极ME的三个电感L1、L2、L3被良导体CD短路。图9的9DD是该状态的等价电路图。在端子间只连接有可动电极的一个电感L4。
[0110]用可动电极来实现高电感是困难的。若外加电感元件，则也能够实现高电感的可变电感。
[0111]如图10的IOA所示，利用双层布线来形成线圈。利用第一层布线Wl来形成漩涡状的线圈和引出布线，利用第二层布线W2来将漩涡状线圈的内侧端子引出至引出布线。
[0112]图10的IOBP表示在端子间串联连接三个高电感元件L1、L2、L3，连接节点与接点CT1、CT2、CT3连接的结构。在本结构中，可动电极作为低电阻、低电感发挥功能。可动电极ME被吸引到第二固定电极12。接点CTl?CT3断开(0FF)，在端子间串联连接高电感L1、L2、L3。图10的IOBD是该状态的等价电路图。
[0113]图10的IOCP表示在可动电极ME与固定电极11的第一、第二分割部分11_1、11_2之间施加驱动电压V，使可动电极ME与接点CTl接触的状态。利用可动电极ME的低电感，将闻电感兀件LI短路。图10的IOCD是表该状态的等价电路图。
[0114]图10的IODP表示在可动电极ME与固定电极11的第一、第二、第三分割部分11_1、11-2、11-3之间施加驱动电压V，使可动电极ME与接点CT1、CT2接触的状态。利用可动电极ME的低电感将高电感元件L1、L2短路。图10的IODD是表示该状态的等价电路图。
[0115]图10的IOEP表示在可动电极ME与固定电极11的全部分割部分11_1?11_4之间施加驱动电压V，使可动电极ME与接点CT1、CT2、CT3接触的状态。利用可动电极ME的低电感将全部高电感元件L1、L2、L3短路。图10的IOED是表示该状态的等价电路图。
[0116]图11的IlA?IlE是表示高电感元件的制造工序的概略剖视图。
[0117]如图11的IlA所示，在具有绝缘表面的衬底上制作(patterning)第一布线层来形成线圈状布线Wl。第一布线层例如由Au层或Cu层形成。例如通过溅镀等在衬底上来形成种子层，在种子层上形成具有布线图案的开口的抗蚀图案，在开口内电镀Au或者Cu。此后，去除抗蚀图案，并且还利用蚀刻、研磨等去除露出的种子层。[0118]如图11的IlB所示，填埋第一布线层，形成牺牲层SC。例如，化学气相沉积氧化硅层(CVD)。
[0119]如图11的IlC所示，在第一布线层Wl的连接区域形成开口。例如，在牺牲层上形成抗蚀图案，对在开口部露出的牺牲层进行反应蚀刻，露出第一布线层。此后，去除抗蚀图案。
[0120]如图11的IlD所示，制作第二布线层，来形成上部电极。例如，在形成种子层后，形成抗蚀图案，在抗蚀图案的开口内电镀Au或者Cu。此后，去除抗蚀图案，也去除露出的种子层。
[0121]如图11的IlE所示，去除牺牲层。例如利用稀氢氟酸的湿式蚀刻来蚀刻并去除氧
化娃层。[0122]以上的说明中的材料、形状、尺寸等为例示，只要没有特别的限定，就不具有限制性的意义。例如，说明了弯曲弹簧部构成为包含三个弯曲角的情况，但不限于此。
[0123]图12的12A中与可动电极ME的各端部连续的弯曲弹簧部SP1、SP2分别往返折回两次，而不是往返折回I次的形状。基本上只要增加往返折回的次数，就更易于变形。能够任意选择弯曲弹簧部的往返折回次数。
[0124]在图12的12B中，弯曲弹簧部SP1、SP2为少于I次往返折回的形状。使弯曲弹簧部往返折回0.75次，使两端的在宽度方向上的位置对齐。要使两端的在宽度方向上的位置对齐，往返次数不限于0.75，也可以为1.25、1.75,2.25等。由此，容易对称地配置固定件和
可动部。
[0125]在图12的12C中，只在可动电极ME的一方的端部形成弯曲弹簧部SP1，在另一方的端部中省略弯曲弹簧部。适用于配置可动部的区域有限制的情况等。虽然在0N/0FF(如上所述，例如，在为具有一个固定电极的可变电容的情况下，ON状态表示可动电极与固定电极接触，OFF状态表示可动电极与固定电极分离，在为具有两个固定电极的可变电容的情况下，ON状态表示可动电极与第一固定电极接触，OFF状态表示可动电极与第二固定电极接触，在为开关的情况下，ON状态表示关闭，OFF状态表示断开等)时的特性会产生差异，但在大多情况下，没有问题。
[0126]图12的12D、12E是弯曲弹簧部连续平滑地改变方向的例子。虽然不能够定义弯曲角α、β、Y等，但能得到相同的功能。
[0127]以上，说明了可变电容元件、可变电感元件的实施例。通过使用这些元件，能够形成各种高频元件。
[0128]图13的13Α表示gamma型阻抗匹配电路。与高频线路串联连接可变电感VL，在高频线路和接地之间连接有可变电容器VC。
[0129]图13的13Β表示π型阻抗匹配电路。在与高频线路串联连接的可变电感VL的两侧和接地之间连接有可变电容器VC1、VC2。
[0130]图13的13C表示可变带通滤波器的例子。在高频线路和接地之间，连接任意组的并联连接可变电感VL和可变电容器VC的组合。
[0131]图13的13D表示可变放大器。在接收用或者发送用的放大器的输出侧连接有阻抗匹配电路MC。能够调整频率特性等。
[0132]图14的14Α表示在电路部A和电路部B之间连接阻抗匹配电路IT的结构。阻抗匹配电路IT例如是图13的13A所示的gamma型电路。
[0133]图14的14B是表示使特性Pl变化为特性P2的阻抗匹配的图(chart)。
[0134]图15是表示可调RF前端的结构例的等价电路图。天线ANT经由阻抗匹配电路MC与可变滤波器VF连接。在接收电路中，可变滤波器与低噪声放大器LNA连接，将被放大的信号供给至高频IC (RF-1C)。在发送电路中，将来自RF-1C的信号供给至功率放大器PA，被放大的信号经由可变滤波器VF、阻抗匹配电路MC供给至天线ANT。
[0135]以上，说明了基于实施例的本发明，但本发明不限于此。作为例示举出的材料、数值并非限定。例如，能够代替SOI衬底，来使用在支撑衬底上具有蚀刻特性不同的双层的牺牲层的层叠衬底，进行图4-1、图4-2以及图4-3的4A~4L所示的工序，制造出图2的2A所示的结构。在该情况下，将图2的2A所示的键合氧化硅膜52、活性硅层53作为蚀刻特性不同的牺牲膜。还能够利用控制蚀刻等，使用在支撑衬底上具有单层的牺牲膜的层叠衬底。还能够引入各种公知技术。此外，本领域技术人员应理解能够进行各种变更、置换、改进、修正、组合等。
【权利要求】
1.一种可动电气设备，其特征在于， 具有: 支撑衬底， 第一以及第二固定电极，其形成于上述支撑衬底上，具有相对于上述支撑衬底的表面大致垂直的相向电极面，在上述相向电极面之间划定有内腔， 可动部，其具有可动电极和弯曲弹簧部，上述可动电极的第一端接近上述第一固定电极，第二端接近上述第二固定电极，上述弯曲弹簧部与上述可动电极的上述第一端、第二端的至少一方连续，且包含向上述可动电极的厚度方向弯曲的部分， 第一、第二固定件，其配置在上述支撑衬底上，支撑上述可动部的两端。
2.根据权利要求1所述的可动电气设备，其特征在于， 上述可动部具有第一弯曲弹簧部和第二弯曲弹簧部，上述第一弯曲弹簧部与上述可动电极的上述第一端连续，且向上述可动电极的厚度方向弯曲，上述第二弯曲弹簧部与上述可动电极的上述第二端连续，且向上述可动电极的厚度方向弯曲。
3.根据权利要求2所述的可动电气设备，其特征在于， 上述第一、第二弯曲弹簧部分别向远离与该第一、第二弯曲弹簧部接近配置的第一、第二固定电极的方向弯曲，并折回地弯曲，然后向沿着可动电极的延长的方向弯曲而成。
4.根据权利要求2所述的可动电气设备，其特征在于， 还具备布线，该布线用于在上述可动电极与上述第一固定电极、上述第二固定电极之间施加驱动电压。
5.根据权利要求3所述的可动电气设备，其特征在于， 还具有: 第一限位器，其形成在上述可动电极的第一端和上述第二固定电极之间，限制上述可动电极的第一端远离上述第一固定电极而接近上述第二固定电极的运动； 第二限位器，其形成在上述可动电极的第二端和上述第一固定电极之间，限制上述可动电极的第二端远离上述第二固定电极而接近上述第一固定电极的运动。
6.根据权利要求2~5中任意一项所述的可动电气设备,其特征在于， 上述可动电极、第一、第二弯曲弹簧部由金属薄膜形成。
7.根据权利要求6所述的可动电气设备，其特征在于， 还具有覆盖与上述可动电极相向的上述第一、第二固定电极面的绝缘层，构成可变电容。
8.根据权利要求2~7中任意一项所述的可动电气设备,其特征在于， 上述第一固定电极分割为多个分割部分， 上述可动电气设备还具有覆盖与上述可动电极相向的各分割部分的表面的绝缘层、配置在由上述绝缘层覆盖的相邻的分割部分之间的接点，构成开关元件。
9.根据权利要求8所述的可动电气设备，其特征在于， 上述第一固定电极分割为三个以上的分割部分，在相邻的分割部分之间配置有两个以上的接点，构成可变电感。
10.根据权利要求9所述的可动电气设备，其特征在于， 上述两个以上的接点被与上述可动电极相比电感小的导体短路。
11.根据权利要求9所述的可动电气设备，其特征在于， 还具有串联连接的多个电感，上述两个以上的接点与上述串联连接的多个电感彼此的连接点连接。
12.根据权利要求1所述的可动电气设备，其特征在于， 上述弯曲弹簧部与上述第一固定件连续，上述弯曲弹簧部的与上述可动电极连续的端部在上述第一、第二固定电极之间的内腔宽度方向上位移规定距离，该规定距离是指，与上述第一固定件连续的端部和与该端部接近的上述固定电极之间的在上述内腔宽度方向上的距离的1/3以上。
13.根据权利要求1所述的可动电气设备，其特征在于， 上述弯曲弹簧部与上述第二固定件连续，上述弯曲弹簧部的与上述可动电极连续的端部在上述第一、第二固定电极之间的内腔宽度方向上位移规定距离，该规定距离是指，与上述第二固定件连续的端部和与该端部接近的上述固定电极之间的在上述内腔宽度方向上的距离的1/3以上。
【文档编号】H01G5/16GK103843089SQ201180073760
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2011年10月19日 优先权日:2011年10月19日
【发明者】岛内岳明, 豊田治, 上田知史 申请人:富士通株式会社