JP2004111296A - マイクロスイッチ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ダイヤモンドを接点として使用し、オン抵抗が低く信頼性の高いマイクロスイッチとその製造方法を提供すること。
【解決手段】ダイヤモンド薄膜１９、２４内に直径数十ｎｍ程度の細孔を直径と同じオーダーの間隔で作製し、細孔内に抵抗率が小さいメタル電極１７ａ、１７ｂを埋め込んで、メタル電極２５、２６から電流が通過するダイヤモンド薄膜１９、２４間の接触点までの距離を数十ｎｍオーダーとし、オン抵抗を大幅に減らすことにより、オン抵抗が低くダイヤモンドが本来持っている高信頼を生かしたマイクロスイッチを実現する。
【選択図】 図２
【解決手段】ダイヤモンド薄膜１９、２４内に直径数十ｎｍ程度の細孔を直径と同じオーダーの間隔で作製し、細孔内に抵抗率が小さいメタル電極１７ａ、１７ｂを埋め込んで、メタル電極２５、２６から電流が通過するダイヤモンド薄膜１９、２４間の接触点までの距離を数十ｎｍオーダーとし、オン抵抗を大幅に減らすことにより、オン抵抗が低くダイヤモンドが本来持っている高信頼を生かしたマイクロスイッチを実現する。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロスイッチ及びその製造方法に係わり、特に炭素系材料薄膜を用いたマイクロスイッチ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体微細加工技術を用いて微細な機械構造を電子回路と一体化して作製するＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術が脚光を浴びている。ＭＥＭＳ技術の応用は多岐にわたるが、その一つに微小な機械スイッチ（以下ではマイクロスイッチと呼ぶ。）がある。このようなマイクロスイッチは半導体スイッチよりも良好な周波数特性を有しており通信分野への応用が期待されている。また従来の電磁力を用いたリレーよりも小型化、集積化が容易であることから自動車分野への応用が期待されている。
【０００３】
このようなＭＥＭＳ技術を用いたマイクロスイッチの一例としてＮｉメッキを用いて作製したマイクロスイッチが報告されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
図５は、この文献に掲載されたマイクロスイッチの製造方法を模式的に示す工程断面図である。まず、図５（ａ）に示すようにＳｉ基板１００上にシリコン酸化膜１０１を形成し、さらにＣｒ膜１０２と第１のコンタクト層となるＡｕ膜１０３を成膜する。
【０００５】
次に、図５（ｂ）に示すようにフォトリソグラフィーを用いたパターニングによりソース電極１０４、ゲート電極１０５、及びドレイン電極１０６を形成する。さらに図５（ｃ）に示すように犠牲層となるＣｕ層１０７を成膜し、エッチングにより半球状の凹部１０８とソース電極１０４に到達するホール１０９を形成する。
【０００６】
次に、図５（ｄ）に示すようにレジスト層１１０をパターンニングした後、第２のコンタクト層となるＡｕ膜１１１を成膜し、さらにＮｉメッキにより梁（以下ではビームと呼ぶ。）１１２を作製する。最後に図５（ｅ）に示すようにレジスト層１１０と犠牲層であるＣｕ層１０７を除去し、素子が完成する。
【０００７】
このようなマイクロスイッチにおいては、ゲート電極１０５に電圧を印加すると静電気力によりビーム１１２が基板側に変形し、電圧がある値を超えると静電力がビーム１１２の弾性力に打ち勝ってビーム先端に形成された半球状の接点１１３がドレイン電極１０６に接触してソース−ドレイン間が導通しオン状態となる。ゲート電極１０５への印加電圧を取り去るとビーム１１２は元の状態へと復帰し、接点１１３がドレイン電極１０６から離れオフ状態となる。
【０００８】
ここで、マイクロスイッチにおいて接点材料にＡｕがよく用いられる。これは以下の理由による。即ち、一般にマイクロスイッチのオン抵抗は、接触面の凹凸のために、真実接触面積が見かけの接触面積よりはるかに微小であることに起因する接触抵抗と接触面が薄い絶縁層で覆われることによる被膜抵抗とからなる。前者を小さくするには接触力を大きくして接触面積を大きくするか、変形しやすい材料を使用する必要がある。また、後者を小さくするには接触力を大きくして表面の絶縁層を機械的に破壊するか、絶縁層を形成しにくい材料を使用する必要がある。しかしながらマイクロスイッチにおいては通常、駆動力として静電気力が用いられており、静電気力は微小でありμＮからｍＮ程度の接触力しか発生できない。従って、変形しやすく、表面に絶縁層を形成しないＡｕがよく用いられている。
【０００９】
しかしながら、このようにして作製したマイクロスイッチはその寿命に問題があることが指摘されている。特に、コンタクト層に用いられているＡｕはスティキング（接点の両極がくっついて開離困難となる現象）が起こりやすい接点材料として知られており、長時間の信頼性には問題があった。
【００１０】
上述のスティッキングの問題を解決する方法として、ダイヤモンド薄膜を用いたマイクロスイッチが報告されている（例えば、非特許文献２参照。）。
【００１１】
図６にこの文献に掲載されたダイヤモンド薄膜を用いたマイクロスイッチの製造方法を示す。まず、図６（ａ）に示すようにＳｉ基板１２０上に絶縁層となるｉ型のダイヤモンド薄膜１２１を成膜する。
【００１２】
次に、図６（ｂ）に示すように高濃度にｐ＋型のダイヤモンド薄膜を形成し、パターンニングによりゲート電極１２２と第１のコンタクト層１２３を形成する。次に、図６（ｃ）に示すように犠牲層となるＳｉＯ２層１２４を成膜し、エッチングにより凹部１２５とホール１２６を形成する。
【００１３】
次に図６（ｄ）に示すようにｐ＋型のダイヤモンド薄膜を形成し、パターニングによりビーム１２７を形成する。この時、ビーム１２７の先端には接点１２８が形成される。最後に、図６（ｅ）に示すように犠牲層１２４を除去し、メタル電極１２９，１３０を形成して素子が完成する。
【００１４】
また、図７に同じ研究グループによる別の報告例を示す（例えば、非特許文献３参照。）。図６と対応する部分には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。この例は、図中矢印で示したメタル電極１３９からｐ＋型のダイヤモンドからなる接点１３８と第１のコンタクト層１２３を経由してメタル電極１３０へ至る電流経路をできる限り短くしたものであり、ダイヤモンド薄膜のバルク抵抗に起因する抵抗分を小さくすることを目的としている。なお、１３１はダイヤモンドアンカー、１３２はゲートコンタクトである。
【００１５】
ダイヤモンドと同じ炭素系材料であるグラファイトはスティキングが起こらない材料として従来から知られており、しゅう動接点材料として使用されている。ダイヤモンドも同様にスティキングが生じないことが上述の研究グループにより報告されている（例えば、非特許文献２参照。）。
【００１６】
ダイヤモンドは機械特性、熱伝導性及び耐食性にも優れており、大きな電流を長期にわたり安定してスイッチングできるマイクロスイッチを実現できる可能性を有している。
【００１７】
【非特許文献１】
ポール・Ｍ・ザブラッキ（Ｐａｕｌ Ｍ． Ｚａｖｒａｃｋｙ）他，「マイクロメカニカル・スイッチズ・ファブリケーテド・ユージング・ニッケル・サーフェス・マイクロマシーニング（Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｗｉｔｃｈｅｓ Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ Ｕｓｉｎｇ Ｎｉｃｋｅｌ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ）」，「ジャーナル・オブ・マイクロエレクトロメカニカル・システムズ（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）」，（米国），（ＩＥＥＥ／ＩＥＥ），１９９７年，第６巻，ｐ．３，Ｆｉｇ．２
【００１８】
【非特許文献２】
Ｓ・エルトル（Ｓ． Ｅｒｔｌ）他，「サーフェス・マイクロマシーンド・ダイヤモンド・マイクロスイッチ（Ｓｕｒｆａｃｅ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ｄｉａｍｏｎｄ ｍｉｃｒｏｓｗｉｔｃｈ）」，「ダイヤモンド・アンド・リレーテド・マテリアルズ（Ｄｉａｍｏｎｄ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）」， （オランダ），「エルセビア・サイエンス（Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ）」，２０００年，第９巻，ｐ．９７０，Ｆｉｇ．２
【００１９】
【非特許文献３】
Ｍ・アダムシック（Ｍ． Ａｄａｍｓｃｈｉｋ）他，「ダイヤモンド・マイクロウエーブ・マイクロ・リレー（Ｄｉａｍｏｎｄ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｍｉｃｒｏ ｒｅｌａｙ）」，「ダイヤモンド・アンド・リレーテド・マテリアルズ（Ｄｉａｍｏｎｄ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）」， （オランダ），「エルセビア・サイエンス（Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ）」，２００２年，第１１巻，ｐ．６７２
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
前述のダイヤモンド薄膜を用いたマイクロスイッチはその優れた機械特性、熱伝導性及び耐食性に加え、スティキングが生じにくい特性を有しているため、大きな電流を長期にわたり安定してスイッチングできる信頼性に優れたマイクロスイッチを実現できる可能性を有している。
【００２１】
しかしながら、前述の図６及び図７の例における素子は以下に述べるような大きな問題を有している。即ち、ダイヤモンドは基本的に半導体であり、ｐ＋型のダイヤモンド（Ｂドープダイヤモンド）の抵抗率は通常のメタルの１０００倍以上ある。メタルで作製したマイクロスイッチのオン抵抗は接触界面における接触抵抗でほぼ決まるが、ダイヤモンドで作製したマイクロスイッチのオン抵抗は、接触抵抗とダイヤモンド薄膜のバルク抵抗に起因する直列抵抗（これらの抵抗の和）に相当する。このため、接触面の平坦化等の手段により接触面積を大きくし接触抵抗を低減できても、直列抵抗も低減させないとオン抵抗を下げることはできない。
【００２２】
図７の例ではｐ＋型のダイヤモンド薄膜からなる接点１３８の厚さを薄くして背面のメタル電極１３９と接触面との距離を小さくしているが、機械的な強度の点からこの手法には限界がある。また、ダイヤモンドは通常ＣＶＤ法により成膜するが、成膜初期の段階では孤立した粒子状であり、連続膜となるのは膜がある程度厚みを持った段階であるので、薄い連続膜を作製すること自体が困難である。さらに、図７の例では接触面から電極１３０までの距離は膜に水平な方向の距離に相当し、このため第１のコンタクト層１２３における抵抗分を小さくすることは困難である。
【００２３】
なお、同じ炭素系材料であるグラファイトもダイヤモンドと同様にスティキングが生じにくいが、抵抗率がやはりメタルに比べると数桁大きいというダイヤモンドと同様の問題を有している。
【００２４】
本発明はかかる観点に基づいてなされたものであり、炭素系材料の高信頼性を生かし、オン抵抗の低いマイクロスイッチ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
（構成）
上述した課題を解決するために、本発明の第１のマイクロスイッチは、基板と、この基板上に設けられ、互いに接触する状態と非接触となる状態とを繰り返す第１の電極部及び第２の電極部を具備するマイクロスイッチであって、前記第１の電極部は、その前記表面に達する第１の細孔群を有する第１の炭素系材料層と、前記第１の細孔群の各々の細孔内に埋め込まれた第１の金属材料部とを有し、前記第２の電極部は、その前記接触面に達する第２の細孔群を有する第２の炭素系材料層と、前記第２の細孔群の各々の細孔内に埋め込まれた第２の金属材料部とを有することを特徴とする。
【００２６】
また、本発明の第２のマイクロスイッチは、基板と、この基板上に設けられ、互いに接触する状態と非接触となる状態とを繰り返す第１の電極部及び第２の電極部を具備するマイクロスイッチであって、前記第１の電極部は、第１の細孔群が膜厚方向に貫通して設けられた第１の炭素系材料層と、前記第１の細孔群の各々の細孔内に埋め込まれた第１の金属材料部とを有し、前記第２の電極部は、第２の細孔群が膜厚方向に貫通して設けられた第２の炭素系材料層と、前記第２の細孔群の各々の細孔内に埋め込まれた第２の金属材料部とを有することを特徴とする。
【００２７】
また、本発明の第３のマイクロスイッチは、基板と、この基板上に設けられた第１の電極部と、前記基板上に設けられ、前記基板の表面と離間しかつ当該表面と平行な方向に延在する可動性の柱状部分を有する支持部材と、この支持部材に支持されて前記第１の電極部と離間して設けられ、前記柱状部分の動きにより前記第１の電極部の表面と接触する接触面を有する第２の電極部とを具備するマイクロスイッチであって、前記第１の電極部は、その前記表面に達する第１の細孔群を有する第１の炭素系材料層と、前記第１の細孔群の各々の細孔内に埋め込まれた第１の金属材料部とを有し、前記第２の電極部は、その前記接触面に達する第２の細孔群を有する第２の炭素系材料層と、前記第２の細孔群の各々の細孔内に埋め込まれた第２の金属材料部とを有することを特徴とする。
【００２８】
また、本発明の第４のマイクロスイッチは、基板と、この基板上に設けられた第１の電極部と、前記基板上に設けられ、前記基板の表面と離間しかつ当該表面と平行な方向に延在する可動性の柱状部分を有する支持部材と、この支持部材に支持されて前記第１の電極部と離間して設けられ、前記柱状部分の動きにより前記第１の電極部の表面と接触する接触面を有する第２の電極部とを具備するマイクロスイッチであって、前記第１の電極部は、第１の細孔群が膜厚方向に貫通して設けられた第１の炭素系材料層と、前記第１の細孔群の各々の細孔内に埋め込まれた第１の金属材料部とを有し、前記第２の電極部は、第２の細孔群が膜厚方向に貫通して設けられた第２の炭素系材料層と、前記第２の細孔群の各々の細孔内に埋め込まれた第２の金属材料部とを有することを特徴とする。
【００２９】
以上の本発明の第１乃至第４のいずれかのマイクロスイッチにおいて、以下の構成を備えることが好ましい。
【００３０】
（１）前記第１の金属材料部及び第２の金属材料部の少なくともいずれかに対して接続する金属層をさらに備えたこと。
【００３１】
（２）前記第１の金属材料部及び第２の金属材料部の少なくともいずれかの表面は、スティキングを確実に防止する観点から、前記第１の細孔群又は前記第２の細孔群の各々の細孔内に位置すること。特に、オン抵抗を十分低減するため、前記細孔の開口部近傍（例えば、開口部から１μｍ以下の位置）に位置することが好ましい。
【００３２】
（３）前記第１及び第２の炭素系材料層は、ｎ型若しくはｐ型の不純物をドープしたダイヤモンド若しくはグラファイトからなること。
【００３３】
（４）前記細孔群の細孔の密度は、１０９／ｃｍ２以上１０１１／ｃｍ２以下であること。
【００３４】
（５）前記細孔群の各々の細孔の直径は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であること。
【００３５】
また、本発明のマイクロスイッチの製造方法は、上記した本発明の第１乃至第４のいずれかのマイクロスイッチを製造するマイクロスイッチの製造方法であって、前記第１の電極部を形成する工程及び前記第２の電極部を形成する工程はそれぞれ、炭素系材料層上に金属層を形成する工程と、この金属層を酸溶液中で陽極酸化して少なくとも当該金属層表面に多孔質被膜を形成する工程と、前記多孔質被膜をマスクとして前記炭素系材料層を異方性エッチングして細孔群を形成する工程と、当該細孔群内に金属材料部を埋め込む工程とを具備することを特徴とする。
【００３６】
かかるマイクロスイッチの製造方法において、前記金属層は、アルミニウム、チタン、タンタル、銅のいずれか若しくはこれらの合金（少なくとも２つの金属の合金）からなることが好ましい。
【００３７】
また、前記多孔質被膜の底部に残存する層のみを前記異方性エッチングに先立って異方性エッチング等のエッチングにより選択的に除去しておくことが好ましい。
【００３８】
また、前記細孔群内に金属材料部を埋め込むにはメッキ等の方法を用いることが好ましい。
【００３９】
（作用）
本発明によれば、第１及び第２の炭素系材料層それぞれの細孔群の各細孔内に抵抗率が小さい第１の金属材料部及び第２の金属材料部を埋め込み、第１の金属材料部及び第２の金属材料部から電流が通過する第１及び第２の炭素系材料層の接触点までの距離を十分に小さくしているので、機械強度等の問題を生じることなくオン抵抗を大幅に減らすことができる。結果として炭素系材料の高信頼性を生かし、かつオン抵抗も低い炭素系材料層を用いたマイクロスイッチを実現することが可能となる。
【００４０】
特に、陽極酸化等の方法を用いれば、直径数十ｎｍ程度の細孔を直径と同じオーダーの間隔で作製できるので、第１の金属材料部及び第２の金属材料部から電流が通過する第１及び第２の炭素系材料層の接触点までの距離を著しく小さくすることができ、オン抵抗を著しく低減することが可能である。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００４２】
（第１の実施形態）
図１及び図２は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド薄膜を用いたマイクロスイッチの製造方法を示す工程断面図である。本実施形態のマイクロスイッチは、ビームの一端が基板に固定されるとともに他端が自由となっており（いわゆる片持ち梁構造。）、ゲート電極に電圧を印加することにより自由端が基板側に移動して、ビームに設けられた接点がコンタクト層に接触する構成となっている。
【００４３】
まず、図１（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１０上に例えばプラズマＣＶＤ法により２μｍ程度の厚みのノンドープの多結晶ダイヤモンド薄膜１１を形成する。炭素源にはアセトン・メタノール混合液を用い、溶液の水素バブリングにより炭素源をチャンバに導入した。成長条件は、マイクロ波パワーを１．５ｋＷ、水素流量を２００ｓｃｃｍ、メタンガス流量を４ｓｃｃｍとし、原料ガスのメタン濃度は２％とした。そして原料ガスの圧力は１３３ｈＰａ、基板温度は８５０℃とした。
【００４４】
次に、図１（ｂ）に示すように、例えば２μｍ程度の厚みのＢをドープした多結晶ダイヤモンド薄膜１２を形成する。Ｂ源にはＢ２Ｏ３を使用し、これをアセトン・メタノール混合液に溶解して用いた。成長条件は前記条件と同一とした。この場合、Ｂ（ボロン）／Ｃ（炭素）は溶液の組成で制御できる。例えば、液相のＢ濃度を１０４ｐｐｍ（Ｂ／Ｃ）として作製したダイヤモンド薄膜は１０２１／ｃｍ３程度のＢ濃度となり、抵抗率が１０−２Ω・ｃｍ程度となって金属的な導電性を示す。さらに、Ａｌ薄膜１３を例えば真空蒸着によりＢドープしたダイヤモンド薄膜１２上に形成する。
【００４５】
次に、図１（ｃ）に示すように、Ａｌ薄膜１３を酸溶液中で陽極酸化する。ここでは、例えば硫酸溶液中でＡｌ薄膜１３を電源の正極に接続して電解することにより行う。この結果、Ａｌ薄膜１３の表面には多孔質のＡｌ２Ｏ３（アルミナ）被膜１４が形成される。実際にはＡｌ薄膜１３の大部分が多孔質被膜１４になるまで陽極酸化を行う。
【００４６】
図３に多孔質被膜１４のモデル図を示す。被膜１４は下地金属（Ａｌ薄膜１３）に垂直の細孔３１を中心とした六角形状のセル３２の集合から構成され、細孔３１の底には下地金属と接して薄いバリヤー層３３が存在する。細孔３１の数は１０９−１０１１／ｃｍ２であり、孔の直径は１０−１００ｎｍ、バリヤー層の厚みはセルの壁３４の厚みとほぼ同じ１０−１００ｎｍである。多孔質被膜１４の厚みは陽極酸化時の電流密度と時間によって決まり数百μｍ程度まで厚くすることができる。このＡｌの陽極酸化自体は電解コンデンサーを始め多岐に渡って応用されており、確立した技術である。
【００４７】
次に、図１（ｄ）に示すように、接点となる部分以外の部分の多孔質被膜１４に対して封孔処理を行う。ここでは、多孔質被膜１４を残す部分を保護層（図示せず。）で覆い、沸騰水あるいは加熱水蒸気に接触させることにより行う。これにより封孔処理を行った部分において細孔３１は完全に塞がれ、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）からなる被膜１５となる。
【００４８】
次に、図１（ｅ）に示すように多孔質被膜１４底部のバリヤー層３３をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いて基板垂直方向にエッチング速度が速い異方性エッチングにより除去する。さらに、多孔質被膜１４及び被膜１５をマスクとして、酸素を用いたＲＩＥによりＢドープのダイヤモンド薄膜１２を異方性エッチングする。これによりＢドープのダイヤモンド薄膜１２内に多数の細孔１６が形成される。これらの多数の細孔（細孔群）の細孔の密度は、１０９／ｃｍ２以上１０１１／ｃｍ２以下であり、当該細孔群の各々の細孔の直径は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であった。
【００４９】
次に、図１（ｆ）に示すように多孔質被膜１４と封孔処理を行った被膜１５を除去した後、細孔１６内に例えばメッキによりＮｉ電極１７ａを埋め込む。Ｎｉ電極１７ ａは細長い柱状のＮｉ層が多数配列して構成されるものである。この際、Ｂドープのダイヤモンド薄膜１２の上面とＮｉ電極１７ ａの上面とを同じ高さになるようにしてもよいが、メッキ後にＮｉ電極を若干エッチングしてＢドープのダイヤモンド薄膜１２の上面よりもＮｉ電極１７ ａの上面が若干低くなるようにしてもよい。
【００５０】
次に、図１（ｇ）に示すようにＢドープしたダイヤモンド薄膜１２をパターニングし、ゲート電極１８と第１のコンタクト層１９を形成する。この時、Ｏ２ガスを用いたＲＩＥによりダイヤモンド薄膜１２のエッチングを行う。マスク材料としてはＡｌを用いる。なお、このエッチング工程においてノンドープの多結晶ダイヤモンド薄膜１１も多少エッチングされるが問題はない。必要があれば、エッチング時間等を制御することによりオーバーエッチング量を抑えれば良い。
【００５１】
次に、図２（ｈ）に示すように、犠牲層となるＳｉＯ２層２０を成膜し、エッチングにより凹部２１とホール２２を形成する。次に、前述した方法と同様の方法により凹部２１とホール２２を埋め込むように高濃度にＢをドープしたダイヤモンド薄膜を形成する。さらに、このＢをドープしたダイヤモンド薄膜上にＡｌ薄膜を成膜する。
【００５２】
この後、図２（ｉ）に示すように、ＣＣｌ４ガスを用いたＲＩＥによりＡｌ薄膜をパターニングし、さらに前述した方法と同様の方法によりＢをドープしたダイヤモンド薄膜をパターニングすることによりビーム２３を形成する。この時、ビーム先端には接点２４が形成される。ビーム２３上にはＡｌ薄膜２７が残存する。
【００５３】
次に、図２（ｊ）に示すように先と同様な工程（図１（ｂ）乃至図１（ｆ）に相当。）により接点２４内にＮｉ電極１７ｂを埋め込んだ構造を作製する。接点２４内に埋め込まれたＮｉ電極１７ ｂも細長い柱状のＮｉ層が多数配列して構成されるものである。この際、Ｎｉのエッチングは接点２４の細孔に到達するまで行わず、ビーム２３上面に薄くＮｉ層１７ｃを残しておく。なお、Ｎｉのエッチングを接点２４の細孔に到達するまで行った後、さらに細孔内に埋め込まれたＮｉ電極１７ ｂに接続するようにビーム２３上面にＮｉ等からなる金属層を形成しても良い。
【００５４】
次に、図２（ｋ）に示すように犠牲層２０をバッファエッチ（ＨＦ＋ＮＨ４Ｆ）のエッチング液によりエッチング除去し、メタル電極２５を第１のコンタクト層１９上に， メタル電極２６をＮｉ層１７ｃ上にそれぞれ形成して素子が完成する。なお、接点２４の接触面とＮｉ電極１７ｂの下面とを同じ高さになるようにしてもよいが、犠牲層２０の除去中又はその後にＮｉ電極１７ ｂを若干エッチングして接点２４の接触面よりもＮｉ電極１７ ｂの下面が若干高くなる（接点２４の細孔内にＮｉ電極１７ｂの下面が位置する）ようにしてもよい。
【００５５】
本実施形態においては、ダイヤモンド薄膜内に直径数十ｎｍ程度の細孔を直径と同じオーダーの間隔で作製でき、細孔内に抵抗率が小さいメタル電極（１７ａ，１７ｂ）を埋め込んでいるので、メタル電極から電流が通過するダイヤモンド薄膜の接触点までの距離が数十ｎｍオーダーとなり、機械強度等の問題を生じることなくオン抵抗を大幅に減らすことができる。結果としてダイヤモンドの高信頼性を生かし、かつオン抵抗も低いダイヤモンド薄膜を用いたマイクロスイッチが実現できる。また、細孔内にメタル電極（１７ａ，１７ｂ）が埋め込まれた構造となっているので、ダイヤモンド薄膜の接触面からメタル電極２５までの距離による抵抗分についても、問題にならない程度に小さくなる。
【００５６】
（第２の実施形態）
図４は本発明の第２の実施形態に係わるダイヤモンド薄膜を用いたマイクロスイッチの構造を示す図であり、図１及び図２と対応する部分には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。図４（ａ）は上面図であり、図４（ｂ）は上面図中のＡ−Ａ’に沿った断面図である。
【００５７】
本実施形態は第１の実施形態と同様の作製方法により作製することができる。本実施形態によるマイクロスイッチの構造は以下の通りである。即ち、Ｓｉ基板１０上のノンドープの多結晶ダイヤモンド薄膜１１上に第１のコンタクト層４９が形成されており、この第１のコンタクト層４９を中心に左右対称にゲート電極４８ａ，４８ｂが設けられている。
【００５８】
第１のコンタクト層４９及びゲート電極４８ａ，４８ｂは、Ｂをドープした多結晶ダイヤモンド薄膜をパターニングすることにより形成されるものである。第１のコンタクト層４９には、第１の実施形態と同様の方法により多数の細孔が形成されており、これらの多数の細孔の内部にＮｉ電極４７ａが埋め込まれている。Ｎｉ電極４７ａは細長い柱状のＮｉ層が多数配列して構成されるものである。この際、コンタクト層４９の上面とＮｉ電極４７ ａの上面とを同じ高さになるようにしてもよいが、Ｎｉ電極を若干エッチングしてコンタクト層４９の上面よりもＮｉ電極４７ ａの上面が若干低くなるようにしてもよい。
【００５９】
また、第１のコンタクト層４９及びゲート電極４８ａ，４８ｂをまたぐように、ビーム４３がノンドープの多結晶ダイヤモンド薄膜１１上に設けられている。このビーム４３はゲート電極４８ａ，４８ｂの外側に２つの支持脚４３ａ，４３ｂを有し、これらの支持脚４３ａ，４３ｂの間の部分は支持脚４３ａ，４３ｂにより支持されて第１のコンタクト層４９及びゲート電極４８ａ，４８ｂ上に浮いた状態となる。
【００６０】
支持脚４３ａ，４３ｂの間の部分には接点４４が設けられており、この接点４４にも第１の実施形態と同様の方法により多数の細孔が形成されており、これらの多数の細孔の内部にＮｉ電極４７ｂが埋め込まれている。Ｎｉ電極４７ｂも細長い柱状のＮｉ層が多数配列して構成されるものである。なお、Ｎｉのエッチングは接点４４の細孔に到達するまで行わず、ビーム４３上面に薄くＮｉ層４７ｃが残存している。Ｎｉ層４７ｃ上にはメタル電極４６が形成されており、第１のコンタクト層４９上にはビーム４３を避ける位置（ビーム４３を挟む位置）にメタル電極５０が形成されている。
【００６１】
なお、接点４４の接触面とＮｉ電極４７ｂの下面とを同じ高さになるようにしてもよいが、犠牲層の除去中又はその後にＮｉ電極４７ｂを若干エッチングして接点４４の接触面よりもＮｉ電極４７ｂの下面が若干高くなる（接点４４の細孔内にＮｉ電極４７ｂの下面が位置する）ようにしてもよい。
【００６２】
第１の実施形態のマイクロスイッチはいわゆる片持ち梁構造となっており、ゲート電圧印加により自由端が基板側に移動し、ビームに設けられた接点がコンタクト層に接触する構成となっているので、接点が傾くことがあり接触面積が小さくなる場合もある。本実施形態のマイクロスイッチにおいては、ビームの両端が固定され、その間に設けられた接点を中心に左右対称に設けられたゲート電極を用いているため、接点が傾くことなくコンタクト層に対して接触する。このため、接触面積を大きくすることができ、結果としてオン抵抗をさらに下げることが可能となる。
【００６３】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、接点にはダイヤモンドではなく、同じ炭素系材料であるグラファイトを用いてもよい。グラファイトはダイヤモンドと同様にスティキングが生じにくいが、抵抗率がやはりメタルに比べると数桁大きいというダイヤモンドと同様の問題を有しているためである。従って、本発明によりダイヤモンドを用いた場合と同様の効果を得ることが可能である。
【００６４】
また、多孔質被膜を形成するメタル層はＡｌに限定されず、例えばＴｉ、 Ｔａ、 ＣｕのようなＡｌと同様に多孔質被膜を形成するメタルを用いてもよい。さらにまた、埋め込む金属はＮｉに限定されず、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｕ等のような金属でもよい。
【００６５】
また、コンタクト層（ダイヤモンド層）の下に金属層を予め形成しておき、この金属層に到達するようにダイヤモンド層に細孔群を形成し、この細孔群の各細孔を金属で埋め込み、上記金属層と外部メタル電極とをビアホール等を介して導通させることも可能である。これにより、上記金属層を引き出し電極として、各細孔に埋め込んだ金属を外部メタル電極に接続させる構成とすることができ、より一層のオン抵抗の低減を図ることが可能である。
【００６６】
さらにまた、上記実施形態では基板表面に対して垂直な方向にビームを動かしスイッチング動作を行うものを示したが、基板表面に対して水平方向にビームを動かしスイッチング動作を行うものに対しても本発明を適用可能である。
【００６７】
その他本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能である。
【００６８】
【発明の効果】
本発明によれば、炭素系材料層の細孔内に抵抗率が小さい金属材料部が埋め込まれているので、機械強度等の問題を生じることなくマイクロスイッチのオン抵抗を大幅に減らすことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わるマイクロスイッチの製造方法を示す工程断面図。
【図２】図１に続く工程断面図。
【図３】多孔質膜のモデルを示す斜視図。
【図４】本発明の第２の実施形態に係わるマイクロスイッチを示す上面図及び断面図。
【図５】従来のマイクロスイッチの製造方法を示す工程断面図。
【図６】従来のダイヤモンドマイクロスイッチの製造方法を示す工程断面図。
【図７】従来の他のダイヤモンドマイクロスイッチを示す断面図。
【符号の説明】
１０ Ｓｉ基板
１１ ノンドープダイアモンド薄膜
１２ 高濃度Ｂドープダイヤモンド薄膜
１３、２７ Ａｌ薄膜
１４ 多孔質被膜
１５ 封孔処理被膜
１６ 細孔
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ Ｎｉ電極
１８ 高濃度Ｂドープダイヤモンド薄膜（ゲート電極）
１９ 高濃度Ｂドープダイヤモンド薄膜（第１のコンタクト層）
２０ ＳｉＯ２層 （犠牲層）
２１ 凹部
２２ ホール
２３ 高濃度Ｂドープダイヤモンド（ビーム兼第２のコンタクト層）
２４ 接点（高濃度Ｂドープダイヤモンド）
２５ メタル電極
２６ メタル電極
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロスイッチ及びその製造方法に係わり、特に炭素系材料薄膜を用いたマイクロスイッチ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体微細加工技術を用いて微細な機械構造を電子回路と一体化して作製するＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術が脚光を浴びている。ＭＥＭＳ技術の応用は多岐にわたるが、その一つに微小な機械スイッチ（以下ではマイクロスイッチと呼ぶ。）がある。このようなマイクロスイッチは半導体スイッチよりも良好な周波数特性を有しており通信分野への応用が期待されている。また従来の電磁力を用いたリレーよりも小型化、集積化が容易であることから自動車分野への応用が期待されている。
【０００３】
このようなＭＥＭＳ技術を用いたマイクロスイッチの一例としてＮｉメッキを用いて作製したマイクロスイッチが報告されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
図５は、この文献に掲載されたマイクロスイッチの製造方法を模式的に示す工程断面図である。まず、図５（ａ）に示すようにＳｉ基板１００上にシリコン酸化膜１０１を形成し、さらにＣｒ膜１０２と第１のコンタクト層となるＡｕ膜１０３を成膜する。
【０００５】
次に、図５（ｂ）に示すようにフォトリソグラフィーを用いたパターニングによりソース電極１０４、ゲート電極１０５、及びドレイン電極１０６を形成する。さらに図５（ｃ）に示すように犠牲層となるＣｕ層１０７を成膜し、エッチングにより半球状の凹部１０８とソース電極１０４に到達するホール１０９を形成する。
【０００６】
次に、図５（ｄ）に示すようにレジスト層１１０をパターンニングした後、第２のコンタクト層となるＡｕ膜１１１を成膜し、さらにＮｉメッキにより梁（以下ではビームと呼ぶ。）１１２を作製する。最後に図５（ｅ）に示すようにレジスト層１１０と犠牲層であるＣｕ層１０７を除去し、素子が完成する。
【０００７】
このようなマイクロスイッチにおいては、ゲート電極１０５に電圧を印加すると静電気力によりビーム１１２が基板側に変形し、電圧がある値を超えると静電力がビーム１１２の弾性力に打ち勝ってビーム先端に形成された半球状の接点１１３がドレイン電極１０６に接触してソース−ドレイン間が導通しオン状態となる。ゲート電極１０５への印加電圧を取り去るとビーム１１２は元の状態へと復帰し、接点１１３がドレイン電極１０６から離れオフ状態となる。
【０００８】
ここで、マイクロスイッチにおいて接点材料にＡｕがよく用いられる。これは以下の理由による。即ち、一般にマイクロスイッチのオン抵抗は、接触面の凹凸のために、真実接触面積が見かけの接触面積よりはるかに微小であることに起因する接触抵抗と接触面が薄い絶縁層で覆われることによる被膜抵抗とからなる。前者を小さくするには接触力を大きくして接触面積を大きくするか、変形しやすい材料を使用する必要がある。また、後者を小さくするには接触力を大きくして表面の絶縁層を機械的に破壊するか、絶縁層を形成しにくい材料を使用する必要がある。しかしながらマイクロスイッチにおいては通常、駆動力として静電気力が用いられており、静電気力は微小でありμＮからｍＮ程度の接触力しか発生できない。従って、変形しやすく、表面に絶縁層を形成しないＡｕがよく用いられている。
【０００９】
しかしながら、このようにして作製したマイクロスイッチはその寿命に問題があることが指摘されている。特に、コンタクト層に用いられているＡｕはスティキング（接点の両極がくっついて開離困難となる現象）が起こりやすい接点材料として知られており、長時間の信頼性には問題があった。
【００１０】
上述のスティッキングの問題を解決する方法として、ダイヤモンド薄膜を用いたマイクロスイッチが報告されている（例えば、非特許文献２参照。）。
【００１１】
図６にこの文献に掲載されたダイヤモンド薄膜を用いたマイクロスイッチの製造方法を示す。まず、図６（ａ）に示すようにＳｉ基板１２０上に絶縁層となるｉ型のダイヤモンド薄膜１２１を成膜する。
【００１２】
次に、図６（ｂ）に示すように高濃度にｐ＋型のダイヤモンド薄膜を形成し、パターンニングによりゲート電極１２２と第１のコンタクト層１２３を形成する。次に、図６（ｃ）に示すように犠牲層となるＳｉＯ２層１２４を成膜し、エッチングにより凹部１２５とホール１２６を形成する。
【００１３】
次に図６（ｄ）に示すようにｐ＋型のダイヤモンド薄膜を形成し、パターニングによりビーム１２７を形成する。この時、ビーム１２７の先端には接点１２８が形成される。最後に、図６（ｅ）に示すように犠牲層１２４を除去し、メタル電極１２９，１３０を形成して素子が完成する。
【００１４】
また、図７に同じ研究グループによる別の報告例を示す（例えば、非特許文献３参照。）。図６と対応する部分には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。この例は、図中矢印で示したメタル電極１３９からｐ＋型のダイヤモンドからなる接点１３８と第１のコンタクト層１２３を経由してメタル電極１３０へ至る電流経路をできる限り短くしたものであり、ダイヤモンド薄膜のバルク抵抗に起因する抵抗分を小さくすることを目的としている。なお、１３１はダイヤモンドアンカー、１３２はゲートコンタクトである。
【００１５】
ダイヤモンドと同じ炭素系材料であるグラファイトはスティキングが起こらない材料として従来から知られており、しゅう動接点材料として使用されている。ダイヤモンドも同様にスティキングが生じないことが上述の研究グループにより報告されている（例えば、非特許文献２参照。）。
【００１６】
ダイヤモンドは機械特性、熱伝導性及び耐食性にも優れており、大きな電流を長期にわたり安定してスイッチングできるマイクロスイッチを実現できる可能性を有している。
【００１７】
【非特許文献１】
ポール・Ｍ・ザブラッキ（Ｐａｕｌ Ｍ． Ｚａｖｒａｃｋｙ）他，「マイクロメカニカル・スイッチズ・ファブリケーテド・ユージング・ニッケル・サーフェス・マイクロマシーニング（Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｗｉｔｃｈｅｓ Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ Ｕｓｉｎｇ Ｎｉｃｋｅｌ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ）」，「ジャーナル・オブ・マイクロエレクトロメカニカル・システムズ（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）」，（米国），（ＩＥＥＥ／ＩＥＥ），１９９７年，第６巻，ｐ．３，Ｆｉｇ．２
【００１８】
【非特許文献２】
Ｓ・エルトル（Ｓ． Ｅｒｔｌ）他，「サーフェス・マイクロマシーンド・ダイヤモンド・マイクロスイッチ（Ｓｕｒｆａｃｅ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ｄｉａｍｏｎｄ ｍｉｃｒｏｓｗｉｔｃｈ）」，「ダイヤモンド・アンド・リレーテド・マテリアルズ（Ｄｉａｍｏｎｄ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）」， （オランダ），「エルセビア・サイエンス（Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ）」，２０００年，第９巻，ｐ．９７０，Ｆｉｇ．２
【００１９】
【非特許文献３】
Ｍ・アダムシック（Ｍ． Ａｄａｍｓｃｈｉｋ）他，「ダイヤモンド・マイクロウエーブ・マイクロ・リレー（Ｄｉａｍｏｎｄ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｍｉｃｒｏ ｒｅｌａｙ）」，「ダイヤモンド・アンド・リレーテド・マテリアルズ（Ｄｉａｍｏｎｄ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）」， （オランダ），「エルセビア・サイエンス（Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ）」，２００２年，第１１巻，ｐ．６７２
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
前述のダイヤモンド薄膜を用いたマイクロスイッチはその優れた機械特性、熱伝導性及び耐食性に加え、スティキングが生じにくい特性を有しているため、大きな電流を長期にわたり安定してスイッチングできる信頼性に優れたマイクロスイッチを実現できる可能性を有している。
【００２１】
しかしながら、前述の図６及び図７の例における素子は以下に述べるような大きな問題を有している。即ち、ダイヤモンドは基本的に半導体であり、ｐ＋型のダイヤモンド（Ｂドープダイヤモンド）の抵抗率は通常のメタルの１０００倍以上ある。メタルで作製したマイクロスイッチのオン抵抗は接触界面における接触抵抗でほぼ決まるが、ダイヤモンドで作製したマイクロスイッチのオン抵抗は、接触抵抗とダイヤモンド薄膜のバルク抵抗に起因する直列抵抗（これらの抵抗の和）に相当する。このため、接触面の平坦化等の手段により接触面積を大きくし接触抵抗を低減できても、直列抵抗も低減させないとオン抵抗を下げることはできない。
【００２２】
図７の例ではｐ＋型のダイヤモンド薄膜からなる接点１３８の厚さを薄くして背面のメタル電極１３９と接触面との距離を小さくしているが、機械的な強度の点からこの手法には限界がある。また、ダイヤモンドは通常ＣＶＤ法により成膜するが、成膜初期の段階では孤立した粒子状であり、連続膜となるのは膜がある程度厚みを持った段階であるので、薄い連続膜を作製すること自体が困難である。さらに、図７の例では接触面から電極１３０までの距離は膜に水平な方向の距離に相当し、このため第１のコンタクト層１２３における抵抗分を小さくすることは困難である。
【００２３】
なお、同じ炭素系材料であるグラファイトもダイヤモンドと同様にスティキングが生じにくいが、抵抗率がやはりメタルに比べると数桁大きいというダイヤモンドと同様の問題を有している。
【００２４】
本発明はかかる観点に基づいてなされたものであり、炭素系材料の高信頼性を生かし、オン抵抗の低いマイクロスイッチ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
（構成）
上述した課題を解決するために、本発明の第１のマイクロスイッチは、基板と、この基板上に設けられ、互いに接触する状態と非接触となる状態とを繰り返す第１の電極部及び第２の電極部を具備するマイクロスイッチであって、前記第１の電極部は、その前記表面に達する第１の細孔群を有する第１の炭素系材料層と、前記第１の細孔群の各々の細孔内に埋め込まれた第１の金属材料部とを有し、前記第２の電極部は、その前記接触面に達する第２の細孔群を有する第２の炭素系材料層と、前記第２の細孔群の各々の細孔内に埋め込まれた第２の金属材料部とを有することを特徴とする。
【００２６】
また、本発明の第２のマイクロスイッチは、基板と、この基板上に設けられ、互いに接触する状態と非接触となる状態とを繰り返す第１の電極部及び第２の電極部を具備するマイクロスイッチであって、前記第１の電極部は、第１の細孔群が膜厚方向に貫通して設けられた第１の炭素系材料層と、前記第１の細孔群の各々の細孔内に埋め込まれた第１の金属材料部とを有し、前記第２の電極部は、第２の細孔群が膜厚方向に貫通して設けられた第２の炭素系材料層と、前記第２の細孔群の各々の細孔内に埋め込まれた第２の金属材料部とを有することを特徴とする。
【００２７】
また、本発明の第３のマイクロスイッチは、基板と、この基板上に設けられた第１の電極部と、前記基板上に設けられ、前記基板の表面と離間しかつ当該表面と平行な方向に延在する可動性の柱状部分を有する支持部材と、この支持部材に支持されて前記第１の電極部と離間して設けられ、前記柱状部分の動きにより前記第１の電極部の表面と接触する接触面を有する第２の電極部とを具備するマイクロスイッチであって、前記第１の電極部は、その前記表面に達する第１の細孔群を有する第１の炭素系材料層と、前記第１の細孔群の各々の細孔内に埋め込まれた第１の金属材料部とを有し、前記第２の電極部は、その前記接触面に達する第２の細孔群を有する第２の炭素系材料層と、前記第２の細孔群の各々の細孔内に埋め込まれた第２の金属材料部とを有することを特徴とする。
【００２８】
また、本発明の第４のマイクロスイッチは、基板と、この基板上に設けられた第１の電極部と、前記基板上に設けられ、前記基板の表面と離間しかつ当該表面と平行な方向に延在する可動性の柱状部分を有する支持部材と、この支持部材に支持されて前記第１の電極部と離間して設けられ、前記柱状部分の動きにより前記第１の電極部の表面と接触する接触面を有する第２の電極部とを具備するマイクロスイッチであって、前記第１の電極部は、第１の細孔群が膜厚方向に貫通して設けられた第１の炭素系材料層と、前記第１の細孔群の各々の細孔内に埋め込まれた第１の金属材料部とを有し、前記第２の電極部は、第２の細孔群が膜厚方向に貫通して設けられた第２の炭素系材料層と、前記第２の細孔群の各々の細孔内に埋め込まれた第２の金属材料部とを有することを特徴とする。
【００２９】
以上の本発明の第１乃至第４のいずれかのマイクロスイッチにおいて、以下の構成を備えることが好ましい。
【００３０】
（１）前記第１の金属材料部及び第２の金属材料部の少なくともいずれかに対して接続する金属層をさらに備えたこと。
【００３１】
（２）前記第１の金属材料部及び第２の金属材料部の少なくともいずれかの表面は、スティキングを確実に防止する観点から、前記第１の細孔群又は前記第２の細孔群の各々の細孔内に位置すること。特に、オン抵抗を十分低減するため、前記細孔の開口部近傍（例えば、開口部から１μｍ以下の位置）に位置することが好ましい。
【００３２】
（３）前記第１及び第２の炭素系材料層は、ｎ型若しくはｐ型の不純物をドープしたダイヤモンド若しくはグラファイトからなること。
【００３３】
（４）前記細孔群の細孔の密度は、１０９／ｃｍ２以上１０１１／ｃｍ２以下であること。
【００３４】
（５）前記細孔群の各々の細孔の直径は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であること。
【００３５】
また、本発明のマイクロスイッチの製造方法は、上記した本発明の第１乃至第４のいずれかのマイクロスイッチを製造するマイクロスイッチの製造方法であって、前記第１の電極部を形成する工程及び前記第２の電極部を形成する工程はそれぞれ、炭素系材料層上に金属層を形成する工程と、この金属層を酸溶液中で陽極酸化して少なくとも当該金属層表面に多孔質被膜を形成する工程と、前記多孔質被膜をマスクとして前記炭素系材料層を異方性エッチングして細孔群を形成する工程と、当該細孔群内に金属材料部を埋め込む工程とを具備することを特徴とする。
【００３６】
かかるマイクロスイッチの製造方法において、前記金属層は、アルミニウム、チタン、タンタル、銅のいずれか若しくはこれらの合金（少なくとも２つの金属の合金）からなることが好ましい。
【００３７】
また、前記多孔質被膜の底部に残存する層のみを前記異方性エッチングに先立って異方性エッチング等のエッチングにより選択的に除去しておくことが好ましい。
【００３８】
また、前記細孔群内に金属材料部を埋め込むにはメッキ等の方法を用いることが好ましい。
【００３９】
（作用）
本発明によれば、第１及び第２の炭素系材料層それぞれの細孔群の各細孔内に抵抗率が小さい第１の金属材料部及び第２の金属材料部を埋め込み、第１の金属材料部及び第２の金属材料部から電流が通過する第１及び第２の炭素系材料層の接触点までの距離を十分に小さくしているので、機械強度等の問題を生じることなくオン抵抗を大幅に減らすことができる。結果として炭素系材料の高信頼性を生かし、かつオン抵抗も低い炭素系材料層を用いたマイクロスイッチを実現することが可能となる。
【００４０】
特に、陽極酸化等の方法を用いれば、直径数十ｎｍ程度の細孔を直径と同じオーダーの間隔で作製できるので、第１の金属材料部及び第２の金属材料部から電流が通過する第１及び第２の炭素系材料層の接触点までの距離を著しく小さくすることができ、オン抵抗を著しく低減することが可能である。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００４２】
（第１の実施形態）
図１及び図２は、本発明の第１の実施形態に係わるダイヤモンド薄膜を用いたマイクロスイッチの製造方法を示す工程断面図である。本実施形態のマイクロスイッチは、ビームの一端が基板に固定されるとともに他端が自由となっており（いわゆる片持ち梁構造。）、ゲート電極に電圧を印加することにより自由端が基板側に移動して、ビームに設けられた接点がコンタクト層に接触する構成となっている。
【００４３】
まず、図１（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１０上に例えばプラズマＣＶＤ法により２μｍ程度の厚みのノンドープの多結晶ダイヤモンド薄膜１１を形成する。炭素源にはアセトン・メタノール混合液を用い、溶液の水素バブリングにより炭素源をチャンバに導入した。成長条件は、マイクロ波パワーを１．５ｋＷ、水素流量を２００ｓｃｃｍ、メタンガス流量を４ｓｃｃｍとし、原料ガスのメタン濃度は２％とした。そして原料ガスの圧力は１３３ｈＰａ、基板温度は８５０℃とした。
【００４４】
次に、図１（ｂ）に示すように、例えば２μｍ程度の厚みのＢをドープした多結晶ダイヤモンド薄膜１２を形成する。Ｂ源にはＢ２Ｏ３を使用し、これをアセトン・メタノール混合液に溶解して用いた。成長条件は前記条件と同一とした。この場合、Ｂ（ボロン）／Ｃ（炭素）は溶液の組成で制御できる。例えば、液相のＢ濃度を１０４ｐｐｍ（Ｂ／Ｃ）として作製したダイヤモンド薄膜は１０２１／ｃｍ３程度のＢ濃度となり、抵抗率が１０−２Ω・ｃｍ程度となって金属的な導電性を示す。さらに、Ａｌ薄膜１３を例えば真空蒸着によりＢドープしたダイヤモンド薄膜１２上に形成する。
【００４５】
次に、図１（ｃ）に示すように、Ａｌ薄膜１３を酸溶液中で陽極酸化する。ここでは、例えば硫酸溶液中でＡｌ薄膜１３を電源の正極に接続して電解することにより行う。この結果、Ａｌ薄膜１３の表面には多孔質のＡｌ２Ｏ３（アルミナ）被膜１４が形成される。実際にはＡｌ薄膜１３の大部分が多孔質被膜１４になるまで陽極酸化を行う。
【００４６】
図３に多孔質被膜１４のモデル図を示す。被膜１４は下地金属（Ａｌ薄膜１３）に垂直の細孔３１を中心とした六角形状のセル３２の集合から構成され、細孔３１の底には下地金属と接して薄いバリヤー層３３が存在する。細孔３１の数は１０９−１０１１／ｃｍ２であり、孔の直径は１０−１００ｎｍ、バリヤー層の厚みはセルの壁３４の厚みとほぼ同じ１０−１００ｎｍである。多孔質被膜１４の厚みは陽極酸化時の電流密度と時間によって決まり数百μｍ程度まで厚くすることができる。このＡｌの陽極酸化自体は電解コンデンサーを始め多岐に渡って応用されており、確立した技術である。
【００４７】
次に、図１（ｄ）に示すように、接点となる部分以外の部分の多孔質被膜１４に対して封孔処理を行う。ここでは、多孔質被膜１４を残す部分を保護層（図示せず。）で覆い、沸騰水あるいは加熱水蒸気に接触させることにより行う。これにより封孔処理を行った部分において細孔３１は完全に塞がれ、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）からなる被膜１５となる。
【００４８】
次に、図１（ｅ）に示すように多孔質被膜１４底部のバリヤー層３３をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いて基板垂直方向にエッチング速度が速い異方性エッチングにより除去する。さらに、多孔質被膜１４及び被膜１５をマスクとして、酸素を用いたＲＩＥによりＢドープのダイヤモンド薄膜１２を異方性エッチングする。これによりＢドープのダイヤモンド薄膜１２内に多数の細孔１６が形成される。これらの多数の細孔（細孔群）の細孔の密度は、１０９／ｃｍ２以上１０１１／ｃｍ２以下であり、当該細孔群の各々の細孔の直径は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であった。
【００４９】
次に、図１（ｆ）に示すように多孔質被膜１４と封孔処理を行った被膜１５を除去した後、細孔１６内に例えばメッキによりＮｉ電極１７ａを埋め込む。Ｎｉ電極１７ ａは細長い柱状のＮｉ層が多数配列して構成されるものである。この際、Ｂドープのダイヤモンド薄膜１２の上面とＮｉ電極１７ ａの上面とを同じ高さになるようにしてもよいが、メッキ後にＮｉ電極を若干エッチングしてＢドープのダイヤモンド薄膜１２の上面よりもＮｉ電極１７ ａの上面が若干低くなるようにしてもよい。
【００５０】
次に、図１（ｇ）に示すようにＢドープしたダイヤモンド薄膜１２をパターニングし、ゲート電極１８と第１のコンタクト層１９を形成する。この時、Ｏ２ガスを用いたＲＩＥによりダイヤモンド薄膜１２のエッチングを行う。マスク材料としてはＡｌを用いる。なお、このエッチング工程においてノンドープの多結晶ダイヤモンド薄膜１１も多少エッチングされるが問題はない。必要があれば、エッチング時間等を制御することによりオーバーエッチング量を抑えれば良い。
【００５１】
次に、図２（ｈ）に示すように、犠牲層となるＳｉＯ２層２０を成膜し、エッチングにより凹部２１とホール２２を形成する。次に、前述した方法と同様の方法により凹部２１とホール２２を埋め込むように高濃度にＢをドープしたダイヤモンド薄膜を形成する。さらに、このＢをドープしたダイヤモンド薄膜上にＡｌ薄膜を成膜する。
【００５２】
この後、図２（ｉ）に示すように、ＣＣｌ４ガスを用いたＲＩＥによりＡｌ薄膜をパターニングし、さらに前述した方法と同様の方法によりＢをドープしたダイヤモンド薄膜をパターニングすることによりビーム２３を形成する。この時、ビーム先端には接点２４が形成される。ビーム２３上にはＡｌ薄膜２７が残存する。
【００５３】
次に、図２（ｊ）に示すように先と同様な工程（図１（ｂ）乃至図１（ｆ）に相当。）により接点２４内にＮｉ電極１７ｂを埋め込んだ構造を作製する。接点２４内に埋め込まれたＮｉ電極１７ ｂも細長い柱状のＮｉ層が多数配列して構成されるものである。この際、Ｎｉのエッチングは接点２４の細孔に到達するまで行わず、ビーム２３上面に薄くＮｉ層１７ｃを残しておく。なお、Ｎｉのエッチングを接点２４の細孔に到達するまで行った後、さらに細孔内に埋め込まれたＮｉ電極１７ ｂに接続するようにビーム２３上面にＮｉ等からなる金属層を形成しても良い。
【００５４】
次に、図２（ｋ）に示すように犠牲層２０をバッファエッチ（ＨＦ＋ＮＨ４Ｆ）のエッチング液によりエッチング除去し、メタル電極２５を第１のコンタクト層１９上に， メタル電極２６をＮｉ層１７ｃ上にそれぞれ形成して素子が完成する。なお、接点２４の接触面とＮｉ電極１７ｂの下面とを同じ高さになるようにしてもよいが、犠牲層２０の除去中又はその後にＮｉ電極１７ ｂを若干エッチングして接点２４の接触面よりもＮｉ電極１７ ｂの下面が若干高くなる（接点２４の細孔内にＮｉ電極１７ｂの下面が位置する）ようにしてもよい。
【００５５】
本実施形態においては、ダイヤモンド薄膜内に直径数十ｎｍ程度の細孔を直径と同じオーダーの間隔で作製でき、細孔内に抵抗率が小さいメタル電極（１７ａ，１７ｂ）を埋め込んでいるので、メタル電極から電流が通過するダイヤモンド薄膜の接触点までの距離が数十ｎｍオーダーとなり、機械強度等の問題を生じることなくオン抵抗を大幅に減らすことができる。結果としてダイヤモンドの高信頼性を生かし、かつオン抵抗も低いダイヤモンド薄膜を用いたマイクロスイッチが実現できる。また、細孔内にメタル電極（１７ａ，１７ｂ）が埋め込まれた構造となっているので、ダイヤモンド薄膜の接触面からメタル電極２５までの距離による抵抗分についても、問題にならない程度に小さくなる。
【００５６】
（第２の実施形態）
図４は本発明の第２の実施形態に係わるダイヤモンド薄膜を用いたマイクロスイッチの構造を示す図であり、図１及び図２と対応する部分には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。図４（ａ）は上面図であり、図４（ｂ）は上面図中のＡ−Ａ’に沿った断面図である。
【００５７】
本実施形態は第１の実施形態と同様の作製方法により作製することができる。本実施形態によるマイクロスイッチの構造は以下の通りである。即ち、Ｓｉ基板１０上のノンドープの多結晶ダイヤモンド薄膜１１上に第１のコンタクト層４９が形成されており、この第１のコンタクト層４９を中心に左右対称にゲート電極４８ａ，４８ｂが設けられている。
【００５８】
第１のコンタクト層４９及びゲート電極４８ａ，４８ｂは、Ｂをドープした多結晶ダイヤモンド薄膜をパターニングすることにより形成されるものである。第１のコンタクト層４９には、第１の実施形態と同様の方法により多数の細孔が形成されており、これらの多数の細孔の内部にＮｉ電極４７ａが埋め込まれている。Ｎｉ電極４７ａは細長い柱状のＮｉ層が多数配列して構成されるものである。この際、コンタクト層４９の上面とＮｉ電極４７ ａの上面とを同じ高さになるようにしてもよいが、Ｎｉ電極を若干エッチングしてコンタクト層４９の上面よりもＮｉ電極４７ ａの上面が若干低くなるようにしてもよい。
【００５９】
また、第１のコンタクト層４９及びゲート電極４８ａ，４８ｂをまたぐように、ビーム４３がノンドープの多結晶ダイヤモンド薄膜１１上に設けられている。このビーム４３はゲート電極４８ａ，４８ｂの外側に２つの支持脚４３ａ，４３ｂを有し、これらの支持脚４３ａ，４３ｂの間の部分は支持脚４３ａ，４３ｂにより支持されて第１のコンタクト層４９及びゲート電極４８ａ，４８ｂ上に浮いた状態となる。
【００６０】
支持脚４３ａ，４３ｂの間の部分には接点４４が設けられており、この接点４４にも第１の実施形態と同様の方法により多数の細孔が形成されており、これらの多数の細孔の内部にＮｉ電極４７ｂが埋め込まれている。Ｎｉ電極４７ｂも細長い柱状のＮｉ層が多数配列して構成されるものである。なお、Ｎｉのエッチングは接点４４の細孔に到達するまで行わず、ビーム４３上面に薄くＮｉ層４７ｃが残存している。Ｎｉ層４７ｃ上にはメタル電極４６が形成されており、第１のコンタクト層４９上にはビーム４３を避ける位置（ビーム４３を挟む位置）にメタル電極５０が形成されている。
【００６１】
なお、接点４４の接触面とＮｉ電極４７ｂの下面とを同じ高さになるようにしてもよいが、犠牲層の除去中又はその後にＮｉ電極４７ｂを若干エッチングして接点４４の接触面よりもＮｉ電極４７ｂの下面が若干高くなる（接点４４の細孔内にＮｉ電極４７ｂの下面が位置する）ようにしてもよい。
【００６２】
第１の実施形態のマイクロスイッチはいわゆる片持ち梁構造となっており、ゲート電圧印加により自由端が基板側に移動し、ビームに設けられた接点がコンタクト層に接触する構成となっているので、接点が傾くことがあり接触面積が小さくなる場合もある。本実施形態のマイクロスイッチにおいては、ビームの両端が固定され、その間に設けられた接点を中心に左右対称に設けられたゲート電極を用いているため、接点が傾くことなくコンタクト層に対して接触する。このため、接触面積を大きくすることができ、結果としてオン抵抗をさらに下げることが可能となる。
【００６３】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、接点にはダイヤモンドではなく、同じ炭素系材料であるグラファイトを用いてもよい。グラファイトはダイヤモンドと同様にスティキングが生じにくいが、抵抗率がやはりメタルに比べると数桁大きいというダイヤモンドと同様の問題を有しているためである。従って、本発明によりダイヤモンドを用いた場合と同様の効果を得ることが可能である。
【００６４】
また、多孔質被膜を形成するメタル層はＡｌに限定されず、例えばＴｉ、 Ｔａ、 ＣｕのようなＡｌと同様に多孔質被膜を形成するメタルを用いてもよい。さらにまた、埋め込む金属はＮｉに限定されず、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｕ等のような金属でもよい。
【００６５】
また、コンタクト層（ダイヤモンド層）の下に金属層を予め形成しておき、この金属層に到達するようにダイヤモンド層に細孔群を形成し、この細孔群の各細孔を金属で埋め込み、上記金属層と外部メタル電極とをビアホール等を介して導通させることも可能である。これにより、上記金属層を引き出し電極として、各細孔に埋め込んだ金属を外部メタル電極に接続させる構成とすることができ、より一層のオン抵抗の低減を図ることが可能である。
【００６６】
さらにまた、上記実施形態では基板表面に対して垂直な方向にビームを動かしスイッチング動作を行うものを示したが、基板表面に対して水平方向にビームを動かしスイッチング動作を行うものに対しても本発明を適用可能である。
【００６７】
その他本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能である。
【００６８】
【発明の効果】
本発明によれば、炭素系材料層の細孔内に抵抗率が小さい金属材料部が埋め込まれているので、機械強度等の問題を生じることなくマイクロスイッチのオン抵抗を大幅に減らすことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わるマイクロスイッチの製造方法を示す工程断面図。
【図２】図１に続く工程断面図。
【図３】多孔質膜のモデルを示す斜視図。
【図４】本発明の第２の実施形態に係わるマイクロスイッチを示す上面図及び断面図。
【図５】従来のマイクロスイッチの製造方法を示す工程断面図。
【図６】従来のダイヤモンドマイクロスイッチの製造方法を示す工程断面図。
【図７】従来の他のダイヤモンドマイクロスイッチを示す断面図。
【符号の説明】
１０ Ｓｉ基板
１１ ノンドープダイアモンド薄膜
１２ 高濃度Ｂドープダイヤモンド薄膜
１３、２７ Ａｌ薄膜
１４ 多孔質被膜
１５ 封孔処理被膜
１６ 細孔
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ Ｎｉ電極
１８ 高濃度Ｂドープダイヤモンド薄膜（ゲート電極）
１９ 高濃度Ｂドープダイヤモンド薄膜（第１のコンタクト層）
２０ ＳｉＯ２層 （犠牲層）
２１ 凹部
２２ ホール
２３ 高濃度Ｂドープダイヤモンド（ビーム兼第２のコンタクト層）
２４ 接点（高濃度Ｂドープダイヤモンド）
２５ メタル電極
２６ メタル電極
Claims (9)
- 基板と、この基板上に設けられ、互いに接触する状態と非接触となる状態とを繰り返す第１の電極部及び第２の電極部を具備するマイクロスイッチであって、前記第１の電極部は、その前記表面に達する第１の細孔群を有する第１の炭素系材料層と、前記第１の細孔群の各々の細孔内に埋め込まれた第１の金属材料部とを有し、前記第２の電極部は、その前記接触面に達する第２の細孔群を有する第２の炭素系材料層と、前記第２の細孔群の各々の細孔内に埋め込まれた第２の金属材料部とを有することを特徴とするマイクロスイッチ。
- 基板と、この基板上に設けられ、互いに接触する状態と非接触となる状態とを繰り返す第１の電極部及び第２の電極部を具備するマイクロスイッチであって、前記第１の電極部は、第１の細孔群が膜厚方向に貫通して設けられた第１の炭素系材料層と、前記第１の細孔群の各々の細孔内に埋め込まれた第１の金属材料部とを有し、前記第２の電極部は、第２の細孔群が膜厚方向に貫通して設けられた第２の炭素系材料層と、前記第２の細孔群の各々の細孔内に埋め込まれた第２の金属材料部とを有することを特徴とするマイクロスイッチ。
- 基板と、この基板上に設けられた第１の電極部と、前記基板上に設けられ、前記基板の表面と離間しかつ当該表面と平行な方向に延在する可動性の柱状部分を有する支持部材と、この支持部材に支持されて前記第１の電極部と離間して設けられ、前記柱状部分の動きにより前記第１の電極部の表面と接触する接触面を有する第２の電極部とを具備するマイクロスイッチであって、前記第１の電極部は、その前記表面に達する第１の細孔群を有する第１の炭素系材料層と、前記第１の細孔群の各々の細孔内に埋め込まれた第１の金属材料部とを有し、前記第２の電極部は、その前記接触面に達する第２の細孔群を有する第２の炭素系材料層と、前記第２の細孔群の各々の細孔内に埋め込まれた第２の金属材料部とを有することを特徴とするマイクロスイッチ。
- 基板と、この基板上に設けられた第１の電極部と、前記基板上に設けられ、前記基板の表面と離間しかつ当該表面と平行な方向に延在する可動性の柱状部分を有する支持部材と、この支持部材に支持されて前記第１の電極部と離間して設けられ、前記柱状部分の動きにより前記第１の電極部の表面と接触する接触面を有する第２の電極部とを具備するマイクロスイッチであって、前記第１の電極部は、第１の細孔群が膜厚方向に貫通して設けられた第１の炭素系材料層と、前記第１の細孔群の各々の細孔内に埋め込まれた第１の金属材料部とを有し、前記第２の電極部は、第２の細孔群が膜厚方向に貫通して設けられた第２の炭素系材料層と、前記第２の細孔群の各々の細孔内に埋め込まれた第２の金属材料部とを有することを特徴とするマイクロスイッチ。
- 前記第１の金属材料部及び第２の金属材料部の少なくともいずれかに対して接続する金属層をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のマイクロスイッチ。
- 前記第１の金属材料部及び第２の金属材料部の少なくともいずれかの表面は、前記第１の細孔群又は前記第２の細孔群の各々の細孔内に位置することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のマイクロスイッチ。
- 前記第１及び第２の炭素系材料層は、ｎ型若しくはｐ型の不純物をドープしたダイヤモンド若しくはグラファイトからなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のマイクロスイッチ。
- 請求項１乃至７のいずれかに記載のマイクロスイッチを製造するマイクロスイッチの製造方法であって、前記第１の電極部を形成する工程及び前記第２の電極部を形成する工程はそれぞれ、炭素系材料層上に金属層を形成する工程と、この金属層を酸溶液中で陽極酸化して少なくとも当該金属層表面に多孔質被膜を形成する工程と、前記多孔質被膜をマスクとして前記炭素系材料層を異方性エッチングして細孔群を形成する工程と、当該細孔群内に金属材料部を埋め込む工程とを具備することを特徴とするマイクロスイッチの製造方法。
- 前記金属層は、アルミニウム、チタン、タンタル、銅のいずれか若しくはこれらの合金からなることを特徴とする請求項８記載のマイクロスイッチの製造方法。
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