JP5123532B2 - マイクロカンチレバー - Google Patents

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Description

本発明は、マイクロスイッチ、マイクロアクチュエータ等のMEMS素子(微小電気機械結合素子)の駆動部分であるマイクロカンチレバーに関するものである。
高周波帯域で使用される多くの電子機器例えば携帯電話や無線機器等は、小型化、軽量化、高性能化されている。これに伴い、例えば既存の電子機器で信号を制御するために使用されるFET(電界効果型トランジスタ)やPINダイオードのような半導体スイッチの代わりとしてMEMS技術を利用したマイクロスイッチなどが提案されている。このようなMEMS素子は、電気回路にその電気回路単独では実現が困難な特徴を付加することができる。例えば電気回路のスイッチ素子として機械式のリレー、FET、PINダイオードが使われているところをMEMSスイッチに置き換えることで、材料に依存していた特性の改善例えば10GHz以上の高周波領域におけるアイソレーションやインサーションロスの低減や使用周波数領域の広域化が期待できる。また、MEMS素子は半導体装置の製造プロセスとの整合性が良いので、薄膜キャパシタや薄膜インダクタなどと一体化させた複合デバイスも実現可能である。
近年、携帯電話や無線機器等は小型化、高機能化に伴いバッテリー駆動時間の問題が大きくなってきている。そのため低消費電力及び低電圧駆動の要求が高まってきている。MEMS技術では、静電、電磁、熱など、いくつかの駆動方式がある。この中で、熱駆動や電磁駆動では電流を流すことによる消費電力の増大がある。また、静電駆動では電流を流さないので電力消費は小さいが、一般に20〜50Vという高い電圧を必要とする。そこで、低消費電力と低電圧駆動の両立が可能な方式として圧電体が着目されており、これを用いたMEMSスイッチが例えば特開2005−332802号公報等で提案されている。
このような圧電体を用いたMEMS素子として、駆動部にマイクロカンチレバーを有するものがある。このマイクロカンチレバーは、両面に電極が形成された板状の圧電体と、金属あるいは金属酸化物等のような板状の弾性体とを貼り合せた構造を有しており、基板等の支持体に片持ち梁状に支持されている。このような構造では、電極に電圧を印加することによって圧電体が変位してマイクロカンチレバーが屈曲し、電極への通電を止めると弾性体の弾性により元に戻る。これを利用することにより、マイクロカンチレバーの先端に電気接点を設けてマイクロスイッチを形成したり、マイクロカンチレバーを振動または揺動運動の駆動部とするマイクロアクチュエータを形成することができる。
特開2005−332802号公報
ところで圧電体の変位の大きさは印加する電圧に比例する。よってマイクロカンチレバーの変位を大きくするには印加する電圧を大きくする必要がある。しかし、MEMS素子には低電圧駆動の要求があるため、マイクロカンチレバーは電圧が同じであれば従来よりも大きな変位が得られ、同じ変位であれば従来よりも低い電圧で得られるようにする必要がある。
圧電体を用いたマイクロカンチレバーの低電圧駆動を実現するためには、圧電体及び弾性体の厚みをできるだけ薄くする方法がある。しかしながら、薄膜化は膜の厚みを均一にするための制御が難しくなり、圧電特性等の特性の低下を抑えるという点で限界があった。また、変位量を稼ぐために、特開2005−332802号公報にあるような、マイクロカンチレバーを複数連結して変位量を増幅させる方法が考えられているが、このような構成では成膜や加工の工程が増大しかつ複雑化するため、コストがかさむという問題がある。
本発明は、簡単な構造であって、低電圧でより大きな変位量を得ることができるマイクロカンチレバーを得ることができる手段を提案するものである。
発明者らは、マイクロカンチレバーを構成する板状の圧電体が、厚み方向に垂直な長さ方向の変位を起こし、この長さ方向の変位を弾性体の存在によって厚み方向の屈曲に変えることができるが、屈曲と同時にこの弾性体が屈曲に対する反力を持つようになるので、この屈曲に対する反力を低減するような構造にすることによりマイクロカンチレバーの変位量を大きくすることができることを見出した。そこで本発明では、一方の面上のほぼ全面に上部電極が形成され他方の面上のほぼ全面に下部電極が形成された略長方形の板状の圧電体と、前記圧電体の前記下部電極形成面に機械的に一体になるように密着させた板状の弾性体と、前記圧電体と前記弾性体を密着させて形成された駆動部材の長さ方向の一端近傍を片持ち梁状に支持する支持体と、を有するマイクロカンチレバーにおいて、
前記駆動部材の前記支持体に支持された根元部分の近傍に、前記駆動部材の他の部分の厚みよりも薄い薄肉部を有し、前記薄肉部は、前記上部電極に形成され、前記上部電極の一部をスリット状または切り欠き状に除去した第1の部分と、
前記弾性体の下面に形成され、変形の中立面に達する深さで形成された第2の部分と、を含むことを特徴とするマイクロカンチレバーを提案する。
本発明によれば、支持体に支持された根元部分に上部電極の一部がスリット状または切り欠き状になっている薄肉部を設けることにより、この部分の屈曲に対する反力を低下させることができる。また、屈曲に対する反力を低下させることにより、根元部分の変位がマイクロカンチレバーのその他の部分の変位より大きくなるので、梃子の原理により薄肉部の変位が増幅され、マイクロカンチレバーの自由端の変位が大きくなる。すなわち、根元部分の上部電極の一部をスリット状または切り欠き状にして金属膜を除去することによってこの部分における屈曲に対する反力を低下させ、マイクロカンチレバーの屈曲変位を大きくすることができる。
また、薄肉部を形成する手法としては、弾性体の厚みを薄くする方法がある。すなわち前記薄肉部において前記弾性体の厚みも薄くなっているマイクロカンチレバーを提案する。弾性体は圧電体に近い部分は圧電体の長さ方向の変位を屈曲に変える作用を有するが、圧電体から遠い部分は屈曲に対する反力が発生するので、根元部分の弾性体を薄くすることにより、この部分における屈曲に対する反力を低下させ、マイクロカンチレバーの屈曲変位を、さらに大きくすることができる。
本発明によれば、簡単な構造でありかつ低電圧でより大きな屈曲変位量を得ることができるマイクロカンチレバーを得ることができる。
本発明のマイクロカンチレバーに係る第一の実施形態について、図面に基づいて説明する。図1は本発明のマイクロカンチレバーの第一の実施形態を示す模式断面図である。本発明のマイクロカンチレバー1は、略長方形の板状の圧電体3の両面全面に上部電極4a及び下部電極4bとなる電極膜を形成しかつ前記圧電体3の下部電極4b側に板状の弾性体5を機械的に一体になるように密着させた駆動部材を、支持体2に片持ち梁状に支持させた構造を有する。またさらに、前記弾性体5には、支持体2に支持された根元部分の近傍に薄肉部6が形成されている。このマイクロカンチレバー1は、上部電極4a及び下部電極4bを通じて電圧を印加して圧電体3を変位させることにより駆動される。
圧電体3はCVD、スパッタリング等の薄膜形成方法またはゾルゲル法等によって形成され、成膜後にエッチング等で削るか、成膜時にマスキング等を行うことによって例えば矩形の板状に成形される。材料としてはチタン酸ジルコン酸鉛、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸ナトリウムビスマス。ニオブ酸カリウムナトリウム、タンタル酸ストロンチウムビスマス等が用いられる。圧電体3は通電して変位させるために分極方向をそろえる分極処理を行う。この分極処理は圧電体に対して150〜500kV/cmの電界強度を付与することによって行われる。
上部電極4a及び下部電極4bは、CVD、スパッタリング等の薄膜形成方法によって圧電体3の裏表面にそれぞれ形成される。形成する順序は、圧電体3を用意して、その裏表面にそれぞれ形成する方法や、下部電極4b→圧電体3→上部電極4aの順に重ねて形成する方法などがある。材料としては、Pt、Pd、Ag、Cu、Ni、Al、Cr、Fe、Co、Zn、Sn、Ti等の金属単体または合金が用いられる。
弾性体5は、SiやSiO2等の半導体材料、アルミナやジルコニア等のセラミックス、あるいはFe、Ni、Cu等の金属のような弾性を有する部材単体または複数種類の部材の積層体で構成されている。この弾性体5は前述の材質からなる板状部材を用意するか、または後述の支持体からエッチング等の方法で削り出して形成する。この弾性体5と、上部電極4a及び下部電極4bが形成された圧電体3とを密着するように一体的に形成させて駆動部材が形成される。この駆動部材を形成する方法としては、圧電体3の下部電極4b側に弾性体5を貼り合せる方法と、弾性体5上にCVDやスパッタリング等で下部電極4bを形成して次いで圧電体3及び上部電極4aを順次形成する方法がある。
支持体2は、Siウェハ等の半導体基板や、アルミナやジルコニア等のセラミック基板で構成されており、前記駆動部材を片持ち梁状に支持するものである。支持体2は弾性体5と一体化されていても良い。また、マイクロカンチレバー1以外の電子部品や配線導体等が形成されていても良い。なお、以後の説明及び図面ではマイクロカンチレバー1以外の電子部品や配線導体等は省略している。
弾性体5に形成された薄肉部6は、支持体2が駆動部材を支持する根元部分近傍に形成されている。この薄肉部6は、支持体2に固定された根元部分から長さα、深さβで形成されている。このαは、駆動部材を構成する材料にもよるが、長さが例えば500μmであれば0.5〜30μm位であり、βは弾性体5の厚みに対して10〜80%位である。駆動部材の厚みは、この薄肉部6の部分における厚みが、その他の部分の厚みよりもβの分だけ薄くなっている。
次に本発明のマイクロカンチレバーの動作について説明する。図2は本発明のマイクロカンチレバーの第一の実施形態における動作を示す模式断面図である。また、図3は従来のマイクロカンチレバーにおける動作を示す模式断面図である。なお、以降の説明においては、圧電体3の分極方向は上部電極4aから下部電極4bへ向かう方向であり、マイクロカンチレバーの動作時に印加される電圧の方向は下部電極4bから上部電極4aへ向かう方向とする。
本発明のマイクロカンチレバーの動作原理は、詳細については不明であるが、以下の記載のように考えられる。上部電極4a及び下部電極4bを通じて直流電圧を印加すると、図2及び図3に示すように、圧電体3が長さ方向に伸びようとする。このとき、弾性体5及び5’は長さ方向に引張り応力を受ける。このとき弾性力による反力が働き、圧電体3を引き戻そうとする。これによってマイクロカンチレバー1及び1‘が変位して屈曲する。このとき弾性体5及び5’においては、中立面NAを境にして圧電体3に近い側は引張り応力を受け、マイクロカンチレバー1及び1‘を変位させる働きをする。しかし中立面NAより圧電体3から遠い側は圧縮応力を受ける。そのため圧縮応力の反力により、圧電体3の変位を押し戻そうとする力が発生する。
ここで、本発明のマイクロカンチレバー1では、薄肉部6においては、圧縮応力のかかる中立面NAより圧電体3に遠い側の部分が薄くなっているので、圧電体3の変位を押し戻そうとする前記圧縮応力の反力がその他の部分及び従来のマイクロカンチレバー1‘より小さくなる。よって薄肉部6のある部分においては変位が大きくなる。薄肉部6はマイクロカンチレバー1の根元部分にあるので、梃子の原理により薄肉部6の変位を増幅することができる。これにより従来のマイクロカンチレバー1’よりも大きな屈曲変位を有するマイクロカンチレバー1を得ることができる。以上のことは電圧を逆向きに印加して逆方向に変位させたときも同様である。なお、中立面NAはマイクロカンチレバー1を構成する圧電体3及び弾性体5の厚みやヤング率によって位置が決まるものである。よって例えば弾性体5全体の厚みを薄くした場合には中立面NAの位置がそれに伴って変化し、その結果圧電体3に近い側の弾性体が薄くなってマイクロカンチレバー1を変位させる作用自体が小さくなってしまい、本発明の効果は得られなくなる。
なお、薄肉部6の形状は、図1に示すような断面矩形の他に、図4に示すようなテーパの付いた形状でも良い。また、図5に示すような断面略円形形状でもよい。また、図5に示すように、支持体2の一部をいわゆる座繰り形状に抉る形状でもよい。この抉った部分は、マイクロカンチレバー1が下向きに変位したときに、弾性体5の一部が支持体2に突き当たらないようにして、変位が妨げられないようにすることができる。また、薄肉部6の深さβは図2にあるように、中立面NAを超えない程度の中立面NA近傍に達しているのが好ましい。
次に本発明のマイクロカンチレバーの製造方法について説明する。なお、ここでは一例として、CVD等で層を形成してエッチング等で削り出しを行う薄膜プロセスによる製造方法で説明する。まず、図6(a)に示すように、SOI(Silicon On Insulator)ウェハ100を用意する。SOIウェハ100は、Si基板101上にSiO2層102、その上にSi層103が形成されている構造を有する。
続いて図6(b)に示すように、SOIウェハ100上にCVDによってSi酸化膜104を形成する。このSi酸化膜104は後に弾性体の一部となる。続いて図6(c)に示すように、Si酸化膜104上にスパッタでPt金属膜を形成して下部電極111を形成する。続いて図6(d)に示すように、下部電極111上にゾルゲル法によってチタン酸ジルコン酸鉛の層を形成し圧電体層112を形成する。続いて図6(e)に示すように、圧電体層112上にスパッタでPt金属膜を形成して上部電極113を形成する。このようにして本発明のマイクロカンチレバーに必要な層を形成して図8(a)に示すようなウェハを形成する。なお、これらに加えてさらに上部電極113を保護する保護層や、マイクロカンチレバーの変位量をヤング率等によって調整する調整層等を必要に応じて形成しても良い。このような保護層または調整層に用いられる材料としては例えばTaが挙げられる。保護層とする場合は、Taのヤング率が影響しないように圧電体層112より十分に薄く形成し、調整層とする場合はTaのヤング率が利用できる厚みに形成する。
続いて図7(a)及び図8(b)に示すように、エッチングによって上部電極113、圧電体層112及び下部電極111を除去して駆動部材を形成する。上部電極113及び下部電極111の除去にはECR(Electron Cyclotron Resonance:電子サイクロトロン共鳴エッチング)装置でArガスを用いたドライエッチングを用いる。また、圧電体層112の除去にはエッチング液として硝酸+10%フッ化水素溶液を用いたウェットエッチングを用いる。残す部分は、表面にレジスト等を塗布してパターンを転写して保護する。
続いて図7(b)及び図8(c)に示すように、駆動部材の周囲のSi酸化膜104、Si層103及びSiO2層102をドライエッチングによって除去して、片持ち梁状に駆動部材を支持する構造を形成する。ドライエッチングにはD−RIE(Deep Reactive Ion Etching)装置を用い、エッチングガスとしてSi酸化膜104及びSiO2層102にはCHF3を用い、Si層103にはSF6、C3F8等を用いる。
続いて図7(c)及び図8(d)に示すように、SOIウェハ100の裏面(駆動部材が形成されていない側)からD−RIE装置を用いたドライエッチングによってSi基板101及びSiO2層102を除去してマイクロカンチレバーを駆動させるための空間105を形成する。このようにして弾性体がSi層103とSi酸化膜104で形成されかつ支持体となるSOIウェハ100と一体化しているマイクロカンチレバーが得られる。
続いてマイクロカンチレバーの弾性体に薄肉部106を形成する。まず、図7(d)に示すように、弾性体となるSi層103の、支持体との固定端近傍部分以外の表面にレジスト121を塗布する。レジスト層121は、薄肉部106の深さを調節するために、その厚み及びエッチングの選択比等が調整される。続いてD−RIE装置を用いたドライエッチングによってSi層103の固定端近傍部分を除去し、薄肉部106が形成される。
続いて圧電体112に対して分極処理を施す。上部電極113及び下部電極111を通じて直流電圧を印加し、電界強度が150〜500kV/cmになるようにして1〜10分処理を行う。印加する電圧は、圧電体112の厚みが例えば1μmであれば、15〜50Vで良い。
次に本発明のマイクロカンチレバーの第一の実施形態における効果について説明する。まず、前述の製造方法によって、長さ500μm、幅150μm、厚さ6.8μmのマイクロカンチレバー1を形成する。長さは、支持体2との固定端から先端までの距離とする。マイクロカンチレバー1を構成する各層の寸法及び物性等は表1の通りとする。
Figure 0005123532
ここで、薄肉部6の長さαを0.5μm、5.0μm、10μm、及び30μmのものを用意し、それぞれについて、深さβを1.0μm、2.0μm、3.0μm、3.5μm、4.0μm及び4.5μmの試料を作成する。各試料10Vの直流電圧を印加してそのときの変位を測定し、薄肉部が形成されていない標準試料の変位を100%としたときの、変位増加率を算出した。その結果を図9のグラフに示した。
これらの結果から、弾性体5に形成する薄肉部6の形状を制御することで、5〜30%の変位量増加が得られることがわかった。
次に、本発明のマイクロカンチレバーに係る第ニの実施形態について説明する。図10は本発明のマイクロカンチレバーの第ニの実施形態を示す模式平面図であり、図11はその模式断面図である。このマイクロカンチレバー11の特徴は、薄肉部16が上部電極14aの一部を除去することによって形成されている点である。
圧電体13の厚みに対して上部電極14aあるいは下部電極14bの厚みが充分に薄い場合には、圧電体13の変位に対する上部電極14aあるいは下部電極14bの弾性の影響は無視できるものであったが、圧電体13の厚みと上部電極14aあるいは下部電極14bの厚みとが近づいてくると、その弾性体としての作用が無視できなくなってくる。そこで、図11及び図12にあるように、上部電極14aの一部を長さβ‘、幅α’のスリット状に除去した薄肉部16を設けることによって、マイクロカンチレバー11の変位を大きくできるようにしたものである。
薄肉部16は図11のような形状に限らず、図12のマイクロカンチレバー11‘に形成されている薄肉部16’のように、2分割された形状でも良い。また、このような矩形形状のスリットではなく、その他の形状や不定形の切り欠き状でもよい。ただし上部電極14aまたは14a‘は圧電体13に電圧を印加する役割があるので、一部は除去せずに残しておく必要がある。
このようなマイクロカンチレバー11または11‘を製造する場合は、上部電極14aまたは14a’となる金属膜を形成するときにマスキング等を行ってパターンを形成するか、またはエッチング時にパターンを形成する方法がある。これによって薄肉部16または16‘を形成することができる。
次に本発明のマイクロカンチレバーの第ニの実施形態における効果について説明する。前述の製造方法によって、長さ500μm、幅150μm、厚さ6.8〜8.6μmのマイクロカンチレバー11を形成する。長さは支持体12との固定端から先端までの距離とする。マイクロカンチレバー11を構成する各層の寸法及び物性等は表2の通りとする。
Figure 0005123532
ここで、薄肉部16の長さα‘を0.5μmに固定し、上部電極14aの厚み(下部電極14bは0.2μm)を0.2μm、1.0μm及び2.0μmにしたものを用意し、それぞれについて、幅β’を5μm、25μm、45μm、65μm及び75μmの試料を作成する。各試料10Vの直流電圧を印加してそのときの変位を測定し、薄肉部が形成されていない標準試料の変位を100%としたときの、変位増加率を算出した。その結果を図13のグラフに示した。
これらの結果から、上部電極14aの一部をスリット状または切り欠き状に除去して形成された薄肉部16の形状を制御することで、最大5%の変位量増加が得られることがわかった。また、これによる変位増加の効果は上部電極14aの厚みが圧電体13の厚みに近づくほど効果があることがわかった。
なお、本発明の第一の実施形態で示した解決手段と第二の実施形態で示した解決手段とを組み合わせても良い。この場合、両方手段の効果を発揮させることができるので、より低電圧でより大きな変位量を得ることができる。
本発明のマイクロカンチレバーは、マイクロスイッチの駆動部として利用できるので、例えばWiMAXに向けたバンド切替型のチューナブルフィルタへ利用できる。また、携帯電話をはじめとする携帯通信機器用の高周波スイッチ等として利用できる。
本発明のマイクロカンチレバーの第一の実施形態を示す模式断面図である。 本発明のマイクロカンチレバーの第一の実施形態における動作を示す模式断面図である。 従来のマイクロカンチレバーにおける動作を示す模式断面図である。 本発明のマイクロカンチレバーの第一の実施形態の別例を示す模式断面図である。 本発明のマイクロカンチレバーの第一の実施形態の別例を示す模式断面図である。 本発明のマイクロカンチレバーの製造方法を示す模式断面図である。 本発明のマイクロカンチレバーの製造方法を示す模式断面図である。 本発明のマイクロカンチレバーの製造方法を示す模式平面図であって、(a)は図6(e)、(b)は図7(a)、(c)は図7(b)、(d)は図7(c)以降の図面に対応している。 薄肉部の長さα及び深さβと、マイクロカンチレバーの変位増加率の関係を示すグラフである。 本発明のマイクロカンチレバーの第ニの実施形態を示す模式平面図である。 図10のA−A線における模式断面図である。 本発明のマイクロカンチレバーの第ニの実施形態の別例を示す模式平面図である。 上部電極厚み及びスリットの長さβ‘と、マイクロカンチレバーの変位増加率の関係を示すグラフである。
符号の説明
1、1‘、11、11’ マイクロカンチレバー
2、12 支持体
3、13、112 圧電体
4a、14a、14a‘、113 上部電極
4b、14b、111 下部電極
5、5‘、15 弾性体
6、16、16‘106 薄肉部
100 SOIウェハ
101 Si基板
102 SiO2層
103 Si層
104 Si酸化膜
105 空間

Claims (1)

  1. 一方の面上のほぼ全面に上部電極が形成され他方の面上のほぼ全面に下部電極が形成された略長方形の板状の圧電体と、前記圧電体の前記下部電極形成面に機械的に一体になるように密着させた板状の弾性体と、前記圧電体と前記弾性体を密着させて形成された駆動部材の長さ方向の一端近傍を片持ち梁状に支持する支持体と、を有するマイクロカンチレバーにおいて、
    前記駆動部材の前記支持体に支持された根元部分の近傍に、前記駆動部材の他の部分の厚みよりも薄い薄肉部を有し、
    前記薄肉部は、
    前記上部電極に形成され、前記上部電極の一部をスリット状または切り欠き状に除去した第1の部分と、
    前記弾性体の下面に形成され、変形の中立面に達する深さで形成された第2の部分と、を含む
    ことを特徴とするマイクロカンチレバー。
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