JP2009043537A - Ｍｅｍｓスイッチ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＭＥＭＳ構造部分にダストや水分が付着することを防止して、信頼性や歩留りを向上させる。
【解決手段】本発明のＭＥＭＳスイッチ１は、所定の空間に電界を発生させる手段６を備え、空間に位置して設けられ、電界による静電気力により下方向に撓み、静電気力の消滅により弾性復元力で上方向に復帰変形する導電性材料製の梁４を備え、梁４が下方向に撓んだときに電気的に接続される信号線３を備え、電界を発生させる手段６と、梁４と、信号線３とを覆って密閉する保護キャップ７を備えて構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロマシニング技術を用いて製造されるものであって、機械的に動作するスイッチ機構を備えたＭＥＭＳスイッチ及びその製造方法に関する。

近年、高周波帯域（ＲＦ帯域）で使用される多くの電子システムは、さらなる小形化・軽量化・高性能化が進められている。このような電子システムには、これまで電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）やＰＩＮダイオードなどの半導体スイッチが使用されてきた。しかし、半導体スイッチは消費電力が大きく、また、高周波特性の改良に課題がある。

そこで、最近では、半導体微細加工技術、更には、これを拡張して微細な立体構造や可動機構を作れるようにしたマイクロマシニング技術を用いて、機械的に動作する超小型の高周波用ＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical System）スイッチを製造する研究がなされている。この種のＭＥＭＳスイッチは、低挿入損失及び高絶縁性を備えていることから、半導体スイッチの短所を克服することが可能である。

上記ＭＥＭＳスイッチを駆動する方法として、静電気力を用いる方法がある。この静電気力を用いる方法は、対向する２つの電極間に作用する静電気力でスイッチをオン／オフする方法であり、構造及び製造工程が簡単であるという長所を持つ。このようなＭＥＭＳスイッチの一例として、特許文献１に記載されたＭＥＭＳスイッチ構造及び製造方法が知られている。

また、特許文献２には、スイッチの可動側接点を、オフ時に接地された接点に接触させておくことで、絶縁特性を良好に保つようにした構成が記載されている。この特許文献２の構成に対して、特許文献３においては、接地された接点に可動側接点が接触する構成であると、接点が粘着するおそれがあると指摘し、この不具合を解消する構成を提案している。
米国特許第６４４０７６７号公報 特開２００１−５２５８７号公報 特開２００３−２４２８７３号公報

特許文献３に記載された構成では、弾性復元力と静電気力により接点の粘着を防止するように構成しており、これにより、絶縁性及び信頼性の向上を図っている。しかし、特許文献３に記載された構成の場合、ＭＥＭＳ構造部分（接点周辺）が露出したままであると、ダストや水分が付着して信頼性や歩留りが低下するという問題点があった。

そこで、本発明の目的は、ＭＥＭＳ構造部分にダストや水分が付着することを防止できて、信頼性や歩留りを向上させることができるＭＥＭＳスイッチ及びその製造方法を提供することにある。

本発明のＭＥＭＳスイッチは、所定の空間に電界を発生させる手段を備え、前記空間に位置して設けられ、電界による静電気力により下方向に撓み、前記静電気力の消滅により弾性復元力で上方向に復帰変形する導電性材料製の梁を備え、前記梁が下方向に撓んだときに電気的に接続される信号線を備え、前記電界を発生させる手段と、前記梁と、前記信号線とを覆って密閉する保護キャップを備えて構成されている。

本発明は、電界を発生させる手段と梁と信号線とを覆って密閉する保護キャップを備える構成したので、ＭＥＭＳ構造部分にダストや水分が付着することを防止できて、信頼性や歩留りを向上させることができる。

以下、本発明の第１の実施例について、図１ないし図１９を参照しながら説明する。まず、図１は本実施例のＭＥＭＳスイッチ１の縦断面図であり、図２はＭＥＭＳスイッチ１の上面図である。ＭＥＭＳスイッチ１は、絶縁基板２と、絶縁基板２上に設けられた信号線３と、絶縁基板２上に信号線３をまたぐように設けられた梁４と、梁４に設けられた梁電極５と、絶縁基板２上に設けられた静電電極６と、絶縁基板２上に設けられた保護キャップ７とを備えている。

信号線３は、高周波信号が流れる信号線であり、図８に示すように、分断されており、分断された信号線３の上には、接点電極８（図１参照）が設けられている。梁４の梁電極５は、梁４の下方への変形（撓み変形）に応じて信号線３の接点電極８と接触して信号線３を導通する（即ち、ＭＥＭＳスイッチ１をオンする）。また、梁電極５は、梁４の復帰変形（上方への変形）に応じて信号線３の接点電極８と開離して信号線３を遮断する（即ち、ＭＥＭＳスイッチ１をオフする）。

上記梁４は、導電性材料で形成されている。静電電極６は、梁４を変形させるための静電気力を発生させるものであり、所定の空間（梁４と静電電極６との間の空間）に電界を発生させる手段を構成している。静電電極６と梁４との間にＤＣ電圧を印加すると、静電気力が梁４に作用し、梁４が下方へ向けて（信号線３の接点電極８に接近する方向へ）撓み変形する。尚、梁電極５と梁４との間には、両者を電気的に絶縁する絶縁体膜９が設けられている。また、静電電極６の上面には、絶縁体膜１０が設けられている。

一方、保護キャップ７の内面には、キャップ一体静電電極１１が設けられている。このキャップ一体静電電極１１は、空間（梁４とキャップ一体静電電極１１との間の空間）に電界を発生させる手段を構成している。

この構成の場合、静電電極６と梁４との間に、ＤＣ電圧を印加することを止めると、梁４は上記静電気力の消滅により弾性復元力で上方向に（信号線３の接点電極８から開離する方向に）復帰変形する。このとき、キャップ一体静電電極１１と梁４との間にＤＣ電圧を印加すると、静電気力が梁４に作用し、梁４が上方へ向けて（接点電極８から開離する方向へ）復帰変形し易くなる構成となっている。

次に、上記構成のＭＥＭＳスイッチ１を製造する製造プロセスについて、図３ないし図１９を参照して説明する。まず、図３（ａ）に示すように、厚さ５００μｍ程度のシリコン基板１２の表面にＳｉＯ_２等の絶縁膜１３を熱酸化処理により形成する。この絶縁膜１３の厚さは、電気的な絶縁が確保できるように、５００ｎｍ〜数μｍ程度が望ましい。絶縁膜１３が形成されたシリコン基板１２が絶縁基板２を構成している。

続いて、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、絶縁膜１３の上に、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕなどの導体を成膜し（スパッタや蒸着方法により）、フォトリソグラフィにて信号線３、静電電極６、ＧＮＤ１４を形成する。これらの厚さは、例えば１〜数μｍ程度に設定されている。図３（ｂ）は、静電電極６を形成した状態を示す。図３（ｃ）は、更に信号線３とＧＮＤ１４を形成した状態を示す。尚、図３（ｂ）の静電電極６を形成した状態のシリコン基板１２の上面図を、図７に示す。

そして、図３（ｄ）に示すように、信号線３の上に、ＡｕやＰｔ等の貴金属またはこれらの合金にて信号線３側の接点電極８を形成する。接点電極８の厚さは、数１００ｎｍ〜１μｍ程度に設定されている。尚、図３（ｄ）の接点電極８を形成した状態のシリコン基板１２の上面図を、図８に示す。

更に、図３（ｅ）に示すように、静電電極６上にＳｉＯ_２等の絶縁体膜１０を形成する。絶縁体膜１０の厚さは、数１５０〜３００ｎｍ程度に設定されている。尚、図３（ｅ）の絶縁体膜１０を形成した状態のシリコン基板１２の上面図を、図９に示す。

上述したようにして、ＭＥＭＳスイッチ１の下層部分の形成が終了すると、ＭＥＭＳスイッチ１の特徴である梁４の中空構造を形成する工程を開始する。まず、図４（ａ）に示すように、第１の犠牲層１５を形成する。この第１の犠牲層１５は、例えば有機のスピンコートやスプレーコーティング等の塗布工程で形成する、または、ポリシリコン膜等をスパッタやＣＶＤで形成することが良い。第１の犠牲層１５の厚みは、接点電極８付近で１μｍ程度が望ましい。尚、図４（ａ）の第１の犠牲層１５を形成した状態のシリコン基板１２の上面図を、図１０に示す。

次に、図４（ｂ）に示すように、Ａｌ等（導電性材料）によって梁４用の導体膜１６を成膜し、梁電極５用の開口部１６ａを形成する。梁４用の導体膜１６の厚みは、１〜数μｍ程度が望ましい。尚、図４（ｂ）の梁４用の導体膜１６を形成した状態のシリコン基板１２の上面図を、図１１に示す。

続いて、図４（ｃ）に示すように、梁電極５用の開口部１６ａの内面部及び周縁部にＳｉＯ_２等にて絶縁体膜９を形成する。絶縁体膜９の厚さは、数１５０〜３００ｎｍ程度に設定されている。そして、図４（ｄ）に示すように、ＡｕやＰｔ等の貴金属またはこれらの合金によって梁４側の梁電極５を形成する。梁電極５の厚さは、数１００ｎｍ〜１μｍ程度に設定されている。尚、図４（ｄ）の梁電極５を形成した状態のシリコン基板１２の上面図を、図１２に示す。

続いて、図４（ｅ）に示すように、梁４用の導体膜１５をフォトリソグラフィにてパターニングすることにより、梁４を形成する。尚、図４（ｅ）の梁４を形成した状態のシリコン基板１２の上面図を、図１３に示す。

次に、図５（ａ）に示すように、保護キャップ７を形成するための第２の犠牲層１７を形成する。第２の犠牲層１７は、第１の犠牲層１５と同様に、例えば有機のスピンコートやスプレーコーティング等の塗布工程で形成する、または、ポリシリコン膜等をスパッタやＣＶＤで形成することも良い。第２の犠牲層１７の厚みは、基板面から５μｍ程度が望ましい。尚、図５（ａ）の第２の犠牲層１７を形成した状態のシリコン基板１２の上面図を、図１４に示す。

続いて、図５（ｂ）に示すように、第２の犠牲層１７上にキャップ一体静電電極１１を形成する。この場合、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕなどの導体を成膜し（スパッタや蒸着方法により）、フォトリソグラフィにてキャップ一体静電電極１１を形成する。キャップ一体静電電極１１の厚さは、例えば１μｍ程度に設定されている。尚、図５（ｂ）のキャップ一体静電電極１１を形成した状態のシリコン基板１１の上面図を、図１５に示す。

次に、図５（ｃ）に示すように、保護キャップ７用の膜（キャップ膜）１８を形成する。このキャップ膜１８の材質は、ＳｉＯ_２やＳｉＮ等である。キャップ膜１８の厚さは、例えば１〜５μｍ程度に設定されている。続いて、キャップ膜１８に電極への引き回し用の孔１８ａを開ける。尚、図５（ｃ）のキャップ膜１８を形成し、孔１８ａを開けた状態のシリコン基板１１の上面図を、図１６に示す。

そして、図５（ｄ）に示すように、電極への引き回し線１９を形成する。引き回し線１９の材質は、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕなどの導体である。引き回し線１９の厚さは、例えば１μｍ程度に設定されている。尚、図５（ｄ）の引き回し線１９を形成した状態のシリコン基板１１の上面図を、図１７に示す。

続いて、図６（ａ）に示すように、第１の犠牲層１５及び第２の犠牲層１７を除去するための除去孔（犠牲層除去用の開口部）２０を形成する。尚、図６（ａ）の除去孔２０を形成した状態のシリコン基板１１の上面図を、図１８に示す。この後、図６（ｂ）に示すように、第１の犠牲層１５及び第２の犠牲層１７を除去する。この場合、犠牲層１５、１７が有機のポリイミド膜等であれば、アッシング装置を使用して除去する。尚、犠牲層１５、１７がポリシリコン膜等であれば、ＨＦ等の反応性ガスで除去する。犠牲層１５、１７を除去した状態のシリコン基板１１の上面図を、図１９に示す。

ここで、犠牲層１５、１７を除去する場合に、Ｗｅｔエッチング法を用いると、犠牲層の除去直後に梁４やキャップ膜１８等の中空の構造体が基板１２に貼り付いてしまう現象（スティッキング現象）が発生する。このため、ドライエッチングを用いることが望ましい。

この後、図６（ｃ）に示すように、上記除去孔２０を塞ぐ（犠牲層除去用の開口部を閉口する）ために、保護キャップ７用の膜（カバー膜）２１を形成する。このカバー膜２１と前記キャップ膜１８とから、保護キャップ７が構成されている。カバー膜２１の材質は、ＳｉＯ_２やＳｉＮ等である。カバー膜２１の厚さは、例えば５μｍ前後程度に設定することが望ましい。

上記カバー膜２１の形成により、ＭＥＭＳスイッチ１が完成する。上記カバー膜２１を形成した状態のシリコン基板１２の上面図を、図２に示す。尚、カバー膜２１でキャップ膜１８の上面全体を覆うように構成したが、これに代えて、カバー膜を除去孔２０の周辺だけに設けて除去孔２０を塞ぐように構成しても良い。

このような構成の本実施例によれば、静電電極６（電界を発生させる手段）と、梁４と、信号線３とを保護キャップ７で覆って密閉するように構成したので、ＭＥＭＳ構造部分（即ち、梁４の上下面部や周辺部等）にダストや水分が付着することを防止できて、信頼性や歩留りを向上させることができる。

また、上記実施例においては、保護キャップ７の内面にキャップ一体静電電極１１を設け、梁４が下方向に撓んだ状態から弾性復元力で上方向に復帰変形するときに、キャップ一体静電電極１１と梁４との間に電圧を印加することにより、キャップ一体静電電極１１からの電界による静電気力によって梁４を上方向に復帰変形させるように構成したので、接点の粘着をより一層防止することができる。

更に、上記実施例では、ＭＥＭＳ構造部分を密閉して保護するための保護キャップ７を形成する工程を、半導体プロセス（半導体製造工程）内に設けるように構成したので、製造工程が簡単となり、製造コストを低減することができる。

尚、上記実施例においては、保護キャップ７の内面にキャップ一体静電電極１１を設けたが、これに限られるものではなく、キャップ一体静電電極１１を設けることを止めても良い。

また、上記実施例においては、梁４を導電性材料で構成したが、これに代えて、梁４を導電性材料であると共に軟磁性材料である材料（例えばＦｅＳｉやＮｉ等）で構成しても良い。

図２０は、本発明の第２の実施例を示すものである。尚、第１の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第２の実施例では、梁４を導電性材料であると共に軟磁性材料である材料（例えばＦｅＳｉやＮｉ等）で構成し、更に、保護キャップ７の内面に、キャップ一体静電電極１１の代わりにキャップ一体薄膜コイル２２を設けた。このキャップ一体薄膜コイル２２は、空間（梁４と保護キャップ７との間の空間）に磁界を発生させる手段を構成している。

上記構成の場合、梁４が下方向に撓んだ状態から弾性復元力で上方向に復帰変形するときに、キャップ一体薄膜コイル２２に通電することにより、キャップ一体薄膜コイル２２からの磁気力によって軟磁性材料製の梁４を上方向に復帰変形させる構成となっている。

尚、上述した以外の第２の実施例の構成は、第１の実施例の構成と同じ構成となっている。従って、第２の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第２の実施例によれば、保護キャップ７の内面にキャップ一体薄膜コイル２２を設けたので、梁４が下方向に撓んだ状態から弾性復元力で上方向に復帰変形するときに、キャップ一体薄膜コイル２２からの磁気力によって軟磁性材料製の梁４を上方向に復帰変形させることが可能である。

本発明の第１の実施例を示すＭＥＭＳスイッチの縦断面図 ＭＥＭＳスイッチの上面図 ＭＥＭＳスイッチの製造工程を示す図（その１） ＭＥＭＳスイッチの製造工程を示す図（その２） ＭＥＭＳスイッチの製造工程を示す図（その３） ＭＥＭＳスイッチの製造工程を示す図（その４） 図３（ｂ）の状態のシリコン基板の上面図 図３（ｄ）の状態のシリコン基板の上面図 図３（ｅ）の状態のシリコン基板の上面図 図４（ａ）の状態のシリコン基板の上面図 図４（ｂ）の状態のシリコン基板の上面図 図４（ｄ）の状態のシリコン基板の上面図 図４（ｅ）の状態のシリコン基板の上面図 図５（ａ）の状態のシリコン基板の上面図 図５（ｂ）の状態のシリコン基板の上面図 図５（ｃ）の状態のシリコン基板の上面図 図５（ｄ）の状態のシリコン基板の上面図 図６（ａ）の状態のシリコン基板の上面図 図６（ｂ）の状態のシリコン基板の上面図 本発明の第２の実施例を示す図１相当図

符号の説明

図面中、１はＭＥＭＳスイッチ、２は絶縁基板、３は信号線、４は梁、５は梁電極、６は静電電極、７は保護キャップ、８は接点電極、９は絶縁体膜、１０は絶縁体膜、１１はキャップ一体静電電極、１２はシリコン基板、１３は絶縁膜、１４はＧＮＤ、１５は第１の犠牲層、１６は導体膜、１６ａは開口部、１７は第２の犠牲層、１８はキャップ膜、１８ａは引き回し用の孔、１９は引き回し線、２０は除去孔（犠牲層除去用の開口部）、２１はカバー膜、２２はキャップ一体薄膜コイルを示す。

Claims (5)

1. 所定の空間に電界を発生させる手段と、
   前記空間に位置して設けられ、電界による静電気力により下方向に撓み、前記静電気力の消滅により弾性復元力で上方向に復帰変形する導電性材料製の梁と、
   前記梁が下方向に撓んだときに電気的に接続される信号線と、
   前記電界を発生させる手段と、前記梁と、前記信号線とを覆って密閉する保護キャップとを備えて構成されていることを特徴とするＭＥＭＳスイッチ。
2. 前記梁は、軟磁性材料で構成されていることを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳスイッチ。
3. 前記保護キャップに前記空間に電界を発生させる手段を設け、
   前記梁が下方向に撓んだ状態から弾性復元力で上方向に復帰変形するときに、前記保護キャップからの電界による静電気力により前記梁を上方向に復帰変形させることを特徴とする請求項１または２記載のＭＥＭＳスイッチ。
4. 前記保護キャップに前記空間に磁界を発生させる手段を設け、
   前記梁が下方向に撓んだ状態から弾性復元力で上方向に復帰変形するときに、前記保護キャップからの磁気力により前記梁を上方向に復帰変形させることを特徴とする請求項２記載のＭＥＭＳスイッチ。
5. 絶縁基板上に信号線と静電電極を形成する工程と、
   前記静電電極上に絶縁膜を形成する工程と、
   前記絶縁基板上に第１の犠牲層を形成する工程と、
   前記第１の犠牲層上に梁用の導体膜を形成する工程と、
   前記導体膜上に梁の接点電極を形成する工程と、
   前記導体膜上に第２の犠牲層を形成する工程と、
   前記第２の犠牲層上に静電電極を形成する工程と、
   前記第２の犠牲層上に梁を形成する工程と、
   前記梁に前記犠牲層除去用の開口部を形成する工程と、
   前記第１及び前記第２の犠牲層を除去する工程と、
   前記開口部を閉口する工程とを備えてなるＭＥＭＳスイッチの製造方法。

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