JP2004127605A

JP2004127605A - マイクロスイッチ及びその製造方法

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Publication number: JP2004127605A
Application number: JP2002287443A
Authority: JP
Inventors: Tomio Ono; 小野　富男; Tadashi Sakai; 酒井　忠司; Hisashi Sakuma; 佐久間　尚志; Mariko Suzuki; 鈴木　真理子
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-09-30
Also published as: JP3993061B2

Abstract

【課題】Ａｕ以外の材料を接点材料として使用し、低オン電圧で信頼性に優れたマイクロスイッチを実現する。
【解決手段】基板１０と、この基板１０の表面に設けられたドレイン電極１８、ゲート電極１７及びソース電極１６と、ドレイン電極１８の上部に接して設けられ、それぞれ直径１０〜１００ｎｍの導電性の柱が、面密度１０^９〜１０^１１／ｃｍ^２で集合したマイクロブラシからなる第１接点１５と、ソース電極１６に電気的に支点を接続し、ゲート電極１７に与えられる静電気力で駆動され、可動先端部に第１接点１５と対向する第２接点２４を有する片持ち梁構造のビーム２３とを備える。第１接点１５は、信頼性と耐久性の良い金・ニッケル合金（Ａｕ−Ｎｉ合金）が用いられ、第２接点２４には、信頼性と耐久性の良いタングステン（Ｗ）が用いられている。
【選択図】　　　図１

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渡るが、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。この様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】
この様な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１２に従来のマイクロスイッチの製造方法を示す。先ず図１２（ａ）に示すようにＳｉ基板１００上に熱酸化膜１０１を形成する。次にクロム（Ｃｒ）膜１０２と第１コンタクト層となる金（Ａｕ）膜１０３を、熱酸化膜１０１の上に順に成膜する。次に図１２（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィーによりソース電極（第２電極）１０４、ゲート電極（制御電極）１０５及びドレイン電極（第１電極）１０６にパターンニングする。次に図１２（ｃ）に示すように犠牲層となる銅（Ｃｕ）層１０７を成膜し、この銅（Ｃｕ）層１０７を選択的にエッチングすることにより、半球状の凹部１０８とソース電極（第２電極）１０４に到達するホール１０９を形成する。次に図１２（ｄ）に示すように犠牲層１０７の上に、レジスト層１１０を塗布し、このレジスト層１１０をパターンニングした後、ビーム下地膜となるＡｕ膜１１１を成膜する。更に、Ａｕ膜１１１の上にＮｉメッキし、ビーム１１２を作製する。最後に図１２（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。ドレイン電極（第１電極）（第１コンタクト層）１０６に対向した半球状の凸部１１３が第２コンタクト層となる。
【０００５】
この様なマイクロスイッチにおいてはゲート電極（制御電極）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１１２の先端に形成された半球状の接点１１３がドレイン電極（第１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（制御電極）１０５への印加電圧を取り去ると、弾性力により、ビーム１１２は元の状態へと復帰し、接点１１３がドレイン電極（第１電極）１０６から離れ、オフ状態となる。
【０００６】
【非特許文献１】
ポールＭザブラッキー（Ｐａｕｌ　Ｍ．　Ｚａｖｒａｃｋｙ）他、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）第６巻、第３頁、１９９７年
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前述のマイクロスイッチは以下に述べる問題を有している。第１コンタクト層１０３及び第２コンタクト層１１３にはＡｕが用いられている。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、長時間の信頼性に問題がある。
【０００８】
マイクロスイッチにおいて接点材料にＡｕが用いられるのは以下の理由による。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、真の接触面積が見かけ上の接触面積よりはるかに微小であり、接触抵抗が高い。更に、接触面が薄い絶縁層で覆われることによる被膜抵抗も加わるので接触抵抗が高い。
【０００９】
接触面積の低下による接触抵抗の問題は、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。また薄い絶縁層による被膜抵抗の問題は、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。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いるので静電気力は微小であり、通常はμＮからｍＮ程度の接触力しか発生できない。したがってマイクロスイッチ用の接点材料は変形しやすく、表面に絶縁層を形成しないＡｕに事実上限定されていた。
【００１０】
しかしながらマイクロスイッチはその寸法が数十μｍから数百μｍ程度であり、従来の電磁力を用いたリレーに比較して著しく小型である。したがって全体を真空封止することが容易であり、主に酸化による絶縁層形成の問題を解決することができる。したがって何らかの方法で静電気力による微弱な接触力の元でも真の接触面積が確保できれば、Ａｕ以外の例えばＡｕよりも抵抗率が小さいＣｕ、硬度と融点が高く耐久性に優れたモリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）、また絶縁層を形成しにくいＡｕ系合金（Ａｕ−Ｎｉ、Ａｕ−Ｃｕ等）やＡｇ系合金（Ａｇ−Ｎｉ、Ａｇ−Ｃｕ）等を使用することが可能となる。更に接触抵抗を十分下げることができれば金属よりも抵抗率が数桁高いＳｉやダイヤモンド等の半導体を使用することも可能となる。
【００１１】
本発明はかかる観点に基づいてなされたものであり、Ａｕ以外の材料をマイクロスイッチ用の接点材料として使用することを可能にし、低オン電圧で信頼性に優れたマイクロスイッチを実現することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の特徴に係る発明は、それぞれ直径１０〜１００ｎｍの導電性の柱が、面密度１０^９〜１０^１１／ｃｍ^２で集合したマイクロブラシからなる第１接点と、第１接点に対向した第２接点とを電気的接触部として備えるマイクロスイッチであることを要旨とする。
【００１３】
第１の特徴に係る発明によれば、第１接点は面密度１０^９〜１０^１１／ｃｍ^２で集合した多数の細長の柱より形成されており、第１接点と第２接点と接触したときに、細長の柱の各々が僅かな荷重で座屈する。これは柱の直径が１０〜１００ｎｍ程度に細いからである。マイクロブラシを構成するこれらの長柱はミクロには、第１接点の表面の凹凸に相当する長さの分布を持っている。第１接点に第２接点が接触する場合、先ず第１接点の最も長い柱に荷重が加わり、荷重が柱の座屈荷重を超えると最も長い柱は座屈して、第１接点の次に長い柱に接触し、更に荷重が加わり次に長い柱が座屈して、３番目に長い柱に接触し、更に荷重が加わり３番目に長い柱が座屈して、４番目に長い柱に接触し、・・・・・という一連の経過をたどる。一度、座屈した柱は変形にそれ以上の荷重を有しないので、第１接点において第２接点に接触する柱の数、換言すれば接触点数は荷重に完全に比例することになる。この様にして、静電気力によるｍＮオーダーの微弱な力でも、マイクロブラシを構成する長柱の長さの分布に関係なく、加えた荷重に必ず見合うだけの接触点数が確保でき、接触抵抗を下げることができる。この様にして第１接点と第２接点間の接触抵抗を下げられるので、接点材料として変形しやすいＡｕ以外の材料を使用することが可能となる。更に、第１の特徴に係る発明によれば、低オン電圧で信頼性に優れたマイクロスイッチを実現できる。
【００１４】
本発明の第２の特徴に係る発明は、（イ）基板と、（ロ）この基板の表面に設けられた第１電極、制御電極及び第２電極と、（ハ）第１電極の上部に接して設けられ、それぞれ直径１０〜１００ｎｍの導電性の柱が、面密度１０^９〜１０^１１／ｃｍ^２で集合したマイクロブラシからなる第１接点と、（ニ）第２電極を介して基板上に支持され、制御電極に与えられる静電気力で駆動され、可動先端部に第１接点と対向する第２接点を有する片持ち梁構造のビームとを備えるマイクロスイッチであることを要旨とする。
【００１５】
第２の特徴に係る発明によれば、第１接点は面密度１０^９〜１０^１１／ｃｍ^２で集合した多数の細長の柱より形成されており、制御電極に与えられる静電気力でビームが駆動され、第１接点と第２接点と接触したときに、細長の柱の各々が僅かな荷重で座屈する。これは柱の直径が１０〜１００ｎｍ程度に細いからである。
【００１６】
第１の特徴に係る発明で説明したように、第１接点のマイクロブラシを構成するこれらの長柱は、ミクロには、第１接点の表面の凹凸に相当する長さの分布を持っている。片持ち梁構造のビームが駆動され、第１接点に第２接点が接触する場合、先ず第１接点の最も長い柱に荷重が加わり、荷重が柱の座屈荷重を超えるとこ最も長い柱は座屈して、次に長い柱に接触し、更に荷重が加わり次に長い柱が座屈して、・・・・・という一連の経過をたどる。一度、座屈した柱は変形にそれ以上の荷重を有しないので、第１接点において第２接点に接触する柱の数は荷重に比例することになる。この様にして、制御電極に与えられる静電気力によるｍＮオーダーの微弱な力でも、マイクロブラシを構成する長柱の長さの分布に関係なく、加えた荷重に必ず見合うだけの接触点数が確保でき、接触抵抗を下げることができる。この様にして第１接点と第２接点間の接触抵抗を下げられるので、接点材料として変形しやすいＡｕ以外の材料を使用することが可能となる。
【００１７】
本発明の第１及び第２の特徴に係る発明において、導電性の柱の長さが０．２μｍ〜１０μｍであることが好ましい。導電性の柱の長さを０．２μｍ〜１０μｍ程度に選ぶことにより、第１接点のマイクロブラシを構成する細長の柱の各々は、少なくとも１ｍＮ程度以下の僅かな荷重で座屈するように設定できる。
【００１８】
本発明の第３の特徴に係る発明は、絶縁性の基板上に導電性薄膜を堆積する工程と、導電性薄膜の上部に、直径１０〜１００ｎｍの細孔を有する多孔質被膜のパターンを選択的に形成する工程と、細孔に導電性材料を埋め込む工程と、多孔質被膜とを除去し、直径１０〜１００ｎｍの導電性の柱が集合したマイクロブラシを形成する工程と、導電性薄膜を第１電極、制御電極及び第２電極とに分離し、マイクロブラシを第１電極上に第１接点として形成する工程と、第２電極を介して基板に支持され、制御電極上に中空状態で延在し、可動先端部に第１接点と中空状態で対向する第２接点を有する片持ち梁構造のビームを形成する工程とを含むマイクロスイッチの製造方法であることを要旨とする。
【００１９】
多孔質被膜は、アルミニウム（Ａｌ），チタン（Ｔｉ），タンタル（Ｔａ），銅（Ｃｕ）等の金属の陽極酸化で簡単且つ再現性良く形成できる。多孔質被膜を構成する細孔の面密度や、孔の直径は陽極酸化時の電解用の電極間の電圧で制御でき、直径を１０〜１００ｎｍの間の所望の値、面密度を１０^９〜１０^１１／ｃｍ^２の間の所望の値に設定できる。マイクロブラシを構成する導電性の柱の形状は、この多孔質被膜を構成する細孔の形状を転写した形状である。第３の特徴に係るマイクロスイッチの製造方法によれば、制御電極に与えられる静電気力で片持ち梁構造のビームが駆動され、第１接点と第２接点と接触したときに、細長の柱の各々が僅かな荷重で座屈する。第１接点において、第２接点に接触する柱の数は荷重に比例することになるので、第１接点と第２接点間の接触抵抗を下げられる。このため、Ａｕ以外の材料を第１接点と第２接点に使用することが可能となる。このため、第３の特徴に係るマイクロスイッチの製造方法によれば、低オン電圧で信頼性に優れたマイクロスイッチを実現できる。
【００２０】
本発明の第３の特徴において、直径１０〜１００ｎｍの細孔を有する多孔質被膜のパターンを全面に形成する工程と、細孔の一部を選択的に封孔被膜で埋め込む工程と、残余の細孔に導電性材料を埋め込む工程と、多孔質被膜と封孔被膜とを除去し、直径１０〜１００ｎｍの導電性の柱が集合したマイクロブラシを形成しても良い。
【００２１】
本発明の第４の特徴に係る発明は、絶縁性の基板上に第１導電性薄膜を堆積する工程と、第１導電性薄膜上に第２導電性薄膜を堆積する工程と、第１導電性薄膜の上部に、直径１０〜１００ｎｍの細孔を有する多孔質被膜のパターンを選択的に形成する工程と、細孔にマスク材料を埋め込む工程と、多孔質被膜を除去し、直径１０〜１００ｎｍの柱が集合したマイクロブラシ状のマスクを第２導電性薄膜上に形成する工程と、マスクを用いて、第２導電性薄膜を選択エッチングし、第２導電性薄膜の柱が集合したマイクロブラシを形成する工程と、第１導電性薄膜を第１電極、制御電極及び第２電極とに分離し、マイクロブラシを第１電極上に第１接点として形成する工程と、第２電極を介して基板に支持され、制御電極上に中空状態で延在し、可動先端部に第１接点と中空状態で対向する第２接点を有する片持ち梁構造のビームを形成する工程とを含むマイクロスイッチの製造方法であることを要旨とする。
【００２２】
第３の特徴に係るマイクロスイッチの製造方法で説明したように、多孔質被膜は、Ａｌ等の金属の陽極酸化で簡単且つ再現性良く形成できる。マイクロブラシ状のマスクを構成する導電性の柱の形状は、この多孔質被膜を構成する細孔の形状で決定できる。そして、このマスクを用いて、第２導電性薄膜を選択エッチングし、第２導電性薄膜の柱が集合したマイクロブラシを形成しているので、マイクロブラシを構成するそれぞれの柱の直径を１０〜１００ｎｍの間の所望の値、面密度を１０^９〜１０^１１／ｃｍ^２の間の所望の値に設定できる。第４の特徴に係るマイクロスイッチの製造方法によれば、制御電極に与えられる静電気力で片持ち梁構造のビームが駆動され、第１接点と第２接点と接触したときに、第１接点において、第２接点に接触する柱の数は荷重に比例する。このため、第１接点と第２接点間の接触抵抗を下げられるので、Ａｕ以外の材料を第１接点と第２接点に使用することが可能となる。このため、第４の特徴に係るマイクロスイッチの製造方法によれば、低オン電圧で信頼性に優れたマイクロスイッチを実現できる。
【００２３】
本発明の第４の特徴において、多孔質被膜を全面に形成する工程と、細孔の一部を選択的に封孔被膜で埋め込む工程と、残余の細孔にマスク材料を埋め込む工程と、多孔質被膜と封孔被膜とを除去し、直径１０〜１００ｎｍの柱が集合したマイクロブラシ状のマスクを第２導電性薄膜上に形成しても良い。更に、第４の特徴において、細孔に導電性材料を埋め込み、多孔質被膜を除去し、導電性の柱が集合したマイクロブラシ状のマスクを第２導電性薄膜上に形成し、このマスクを用いて第２導電性薄膜を選択エッチングし、第２導電性薄膜の柱が集合したマイクロブラシを形成しても良い。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。また、以下に示す第１及び第２の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００２５】
（第１実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係るマイクロスイッチは、図１に示すように、基板（ガラス基板）１０と、この基板（ガラス基板）１０の表面に設けられた第１電極（ドレイン電極）１８、制御電極（ゲート電極）１７及び第２電極（ソース電極）１６と、第１電極（ドレイン電極）１８の上部に接して設けられ、それぞれ直径１０〜１００ｎｍの導電性の柱が、面密度１０^９〜１０^１１／ｃｍ^２で集合したマイクロブラシからなる第１接点１５と、第２電極（ソース電極）１６を介して基板１０の上に支持され、制御電極（ゲート電極）１７に与えられる静電気力で駆動され、可動先端部に第１接点１５と対向する第２接点２４を有する片持ち梁構造のビーム２３とを備える。第２電極（ソース電極）１６は、下地のチタン・タングステン膜（Ｔｉ−Ｗ膜）１１ｓとこの上の金（Ａｕ）膜１２ｓの２層構造からなる。制御電極（ゲート電極）１７は、下地のＴｉ−Ｗ膜１１ｇとこの上のＡｕ膜１２ｇの２層構造からなる。そして、第１電極（ドレイン電極）１８は、下地のＴｉ−Ｗ膜１１ｄとこの上のＡｕ膜１２ｄの２層構造からなる。第１接点１５は、信頼性と耐久性の良い金・ニッケル合金（Ａｕ−Ｎｉ合金）が用いられ、第２接点２４には、信頼性と耐久性の良いタングステン（Ｗ）が用いられている。
【００２６】
第１接点１５のマイクロブラシを構成しているＡｕ−Ｎｉ合金の導電性の柱は、図２に示すような多孔質被膜１３の細孔１３ｈを金型として、鋳造と同様な方法で形成される。図２の多孔質被膜１３は下地金属に垂直の細孔１３ｈを中心とした六角形状のセルの集合から構成されている。細孔１３ｈの底には下地金属と接して薄いバリヤー層１３ｂが存在する。細孔１３ｈの面密度は１０^９〜１０^１１／ｃｍ^２で孔の直径２ｒは１０〜１００ｎｍ、バリヤー層１３ｂの厚みはセルの壁の厚みとほぼ同じ１０〜１００ｎｍである。孔の直径２ｒ、孔の数（面密度）Ｎ、セルサイズ２Ｒ及びバリヤー層１３ｂの厚さδ_ｂは陽極酸化（電解）時の電圧Ｅ_ａのみに依存し、温度や溶液濃度には依存しない。したがって、マイクロブラシを構成しているＡｕ−Ｎｉ合金の導電性の柱の直径２ｒや面密度は、陽極酸化（電解）時の電圧Ｅ_ａで制御できる。
【００２７】
図３に孔数（面密度）Ｎと電圧Ｅ_ａの関係を、図４に孔径２ｒ及びセルサイズ２Ｒと電圧Ｅ_ａの関係を示す。図３と図４により電圧Ｅ_ａの設定により孔径２ｒを制御できることがわかる。多孔質被膜１３の厚みは電解時の電流密度ｉ_ａ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。細孔１３ｈは開口部が大きく、孔底に向かって次第に狭くなるいわばラッパ状になるが、第１実施の形態において必要な厚さは数μｍ程度なので、細孔１３ｈは円筒状と見なすことができる。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。
【００２８】
後述するように、本発明の第１の実施の形態に係るマイクロスイッチの製造方法においては、多孔質被膜１３の一部を選択的に封孔被膜１４で埋める技術を用いている。このため、予め、封孔被膜１４を用いた多孔質被膜１３の封孔処理に付いて、ここで説明しておく。多孔質被膜１３は無定形アルミナを主成分とし、これに少量の結合水と電解質の陰イオンを含んでいる。封孔処理の際には図６に示すように
Ａｌ_２Ｏ_３＋ｘＨ_２Ｏ　→　Ａｌ_２Ｏ_３・ｘＨ_２Ｏ（ｘ＝１．５〜２）・・・・・（１）
のように封孔被膜１４を構成する無定形のアルミナが熱水と反応し、擬ベーマイトという結晶性の水和酸化物１４が生成して、被膜の細孔１３ｈが塞がれると考えられている。水和酸化物１４による細孔１３ｈの閉塞は、沸騰水処理では約１０分で完了する。この封孔処理により封孔被膜１４の耐食性等は格段に向上する。
【００２９】
一般の接点においても同様であるが、図１に示したマイクロブラシからなる第１接点１５の接触面には必ず凹凸が存在する。説明を簡単にするために第２接点２４の接触面を図中太線で示す平滑面、第１接点１５の接触面を凹凸を有する平面としてモデル化して示せば図５（ａ）のようになる。第２接点２４の平滑面が凹凸を有する第１接点１５の接触面に接近していくと、図５（ｂ）に示すように凹凸を有する第１接点１５の接触面で最も高い凸部に最初に接触する。しかしながら次に高い凸部に接触するためには最も高い凸部を大きく変形させなければならない。この一連の過程が繰り返され接触点を多くするためには大きな接触力を必要とする。勿論、Ａｕのように変形しやすい材料では最初の接触により接触面が塑性変形を起こしある程度平坦化するが、次の接触以降は平坦化した面を基準として上述の過程が繰り返されるため、最初の接触時よりは小さくなるものの、やはり大きな接触力を必要とする。
【００３０】
一方、本発明の第１の実施の形態においては第１接点１５は多数の細長の柱よりマイクロブラシとして形成されており、マイクロブラシを構成する導電性の柱は、それぞれ少なくとも１ｍＮ以下の僅かな荷重で座屈するように設定されている。これは柱の直径を１０〜１００ｎｍ程度に小さく、柱の長さを０．２μｍ〜１０μｍ程度に大きくすることにより実現できる。これらの長柱からなるマイクロブラシは、やはり図５（ｂ）に示すように表面の凹凸に相当する長さの分布を持っているが、長柱に第２接点２４の接触面が接触する場合、先ず、最も長い柱に荷重が加わり、荷重Ｐが柱の座屈荷重荷重Ｐ_ｃｒを超えると、２番目に長い柱に接触し、更に荷重が加わり２番目に長い柱が座屈して、３番目に長い柱に接触し、更に荷重が加わり３番目に長い柱が座屈して、４番目に長い柱に接触し、・・・・・という一連の経過をたどる。一度、座屈した長柱は変形にそれ以上の荷重を有しないので、接触する長柱の数、換言すれば接触点数は荷重Ｐに完全に比例することになる。この様にして、静電気力によるｍＮオーダーの微弱な力でも、表面の凹凸に相当する長柱の長さの分布に関係なく、加えた荷重に必ず見合うだけの接触点数が確保でき、接触抵抗を下げることができる。
【００３１】
図５（ｂ）の右に示すグラフはこの様子を示したものである。なお図５（ｃ）に示すように長柱が接触面に対して傾いている場合はより容易にかつ確実に座屈が生じる。この様にして微弱な力でも接触点数が稼げるため接触抵抗を下げることができ接点材料として変形しやすいＡｕ以外の材料を使用することが可能となる。
【００３２】
マイクロブラシを構成する長柱の座屈荷重Ｐ_ｃｒは柱を一端固定、多端自由と考えると周知の材料力学の公式により
Ｐ_ｃｒ＝π^２ＥＩ／（４ｌ^２）　　　　　　　　　　　　・・・・・（２）
で与えられる。ここでＥはヤング率、Ｉは断面二次モーメントで柱の直径をｄとしてＩ＝πｄ^４／６４で与えられる。またｌはマイクロブラシを構成する長柱の長さである。Ａｕ−Ｎｉ合金のヤング率は不明であるが、安全側を取ってＮｉのヤング率Ｅ＝２０７（ＧＰａ）を用い、ｄ＝５０（ｎｍ）、ｌ＝１（μｍ）とすればＰ_ｃｒ＝０．１６（μＮ）となる。これより１（μＮ）オーダーの微弱な力で本発明の第１の実施の形態により作製した長柱を座屈させることが可能であることがわかる。この値は一例に過ぎず静電気力によるマイクロスイッチの発生力及び長柱を構成ずる材料に合わせ、柱の直径ｄを電解時の電圧Ｅ_ａ、長さｌを電解時の電流密度ｉ_ａと時間によって設定すれば良い。
【００３３】
なお以上の説明では、最も長い長柱が座屈して初めて次に長い長柱に接触するとしていたが、実際の長柱は最初から僅かに湾曲している等の理由で座屈荷重にＰ_ｃｒよりも小さな荷重で撓み始めることが知られている。長柱が大きく撓んだ時にはその長さ方向に短くなるので、実際にはＰ_ｃｒよりも小さな荷重で次に長い柱に接触することもあり得る。上述の説明は理想的な条件下におけるものである。
【００３４】
図７は本発明の第１実施の形態に係わるマイクロスイッチの製造方法を示す図である。
【００３５】
（イ）　先ず、図７（ａ）に示すように、絶縁性の基板（ガラス基板）１０上に、例えば真空蒸着やスパッタリング法等により第１金属膜としてのチタン・タングステン（Ｔｉ−Ｗ）膜１１と、第２金属膜としての薄いＡｕ膜１２を順次成膜する。更に、アルミニウム（Ａｌ）薄膜を、同様に、真空蒸着等により成膜する。
【００３６】
（ロ）　次いでＡｌ薄膜を酸溶液中で陽極酸化する。例えば、硫酸溶液中でＡｌ薄膜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、図７（ｂ）に示すようにＡｌ薄膜の表面には多孔質のＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）被膜１３が形成される。実際にはＡｌ薄膜の大部分が多孔質被膜１３になるまで陽極酸化を行う。
【００３７】
（ハ）　次に多孔質被膜１３を接点となる部分のみを残して封孔処理を行う。これは多孔質被膜１３を残す部分を保護層で多い、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。この封孔処理により、図７（ｃ）に示すように封孔被膜１４が細孔１３ｈを完全に塞ぐ。
【００３８】
（ニ）　次に、多孔質被膜１３の底部のバリヤー層１３ｂを反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて除去する。即ち、基板１０の面に垂直方向にエッチング速度が速い異方性エッチングで底部のバリヤー層１３ｂを選択的に除去する。次いで多孔質被膜１３の細孔１３ｈ内に、導電性材料、例えばメッキを用いて金・ニッケル（Ａｕ−Ｎｉ）合金からなる埋込金属層１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，・・・・・を、図７（ｄ）に示すように埋め込む。これにより多孔質被膜１３内に埋込金属層（導電性材料層）１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，・・・・・の柱群が形成される。
【００３９】
（ホ）　次に図８（ｅ）に示すように多孔質被膜１３と封孔被膜１４を除去した後、フォトリソグラフィーにより、ソース電極（第２電極）１６、ゲート電極（制御電極）１７及びドレイン電極（第１電極）１８にパターンニングする。この結果、ドレイン電極（第１電極）１８の上部に、Ａｕ−Ｎｉ合金からなるマイクロブラシ１５が形成される。
【００４０】
（ヘ）　次に、ソース電極（第２電極）１６、ゲート電極（制御電極）１７、ドレイン電極（第１電極）１８及びマイクロブラシ１５の上に犠牲層となるＳｉＯ_２層１９を形成する。フォトリソグラフィーにより、ＳｉＯ_２層１９を選択的にエッチングすることにより、図８（ｆ）に示すようにソース電極（第２電極）１６に到達するホール２１を形成する。更に、他のエッチングマスクをフォトリソグラフィーにより形成し、ＳｉＯ_２層１９を選択的にエッチングし、図８（ｆ）に示すように凹部２０を形成する。
【００４１】
（ト）　次に、レジスト層２２を、犠牲層（ＳｉＯ_２層）１９の上にスピン塗布する。そして、フォトリソグラフィーによりレジスト層２２を、パターンニング後、図８（ｇ）に示すように、メッキによりＡｕ−Ｎｉ合金よりなる第３金属膜２３ｆを真空蒸着等により堆積する。その後、レジスト層２２と犠牲層１９を除去すれば、図１に示すような片持ち梁形状のビーム２３が完成する。犠牲層（ＳｉＯ_２層）１９の凹部２０に対応した部分にはＡｕ−Ｎｉ合金よりなる第２接点２４が形成される。
【００４２】
本発明の第１の実施の形態に係るマイクロスイッチの製造方法によれば、信頼性と耐久性の良いＡｕ−Ｎｉ合金で、第１接点１５及び第２接点２４の接点材料とすることができ、低オン電圧で信頼性に優れたマイクロスイッチが提供できる。
【００４３】
なお、上記マイクロスイッチの製造方法の（ハ）の工程で、多孔質被膜１３を接点となる部分のみを残して封孔処理を行った。しかし、封孔処理を行わずに、全面に形成された多孔質被膜１３のすべての細孔１３ｈ内に、埋込金属層１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，・・・・・を埋め込み、マイクロブラシを全面に形成しても良い。この後、フォトリソグラフィーとＲＩＥとを用い、接点となる部分にのみマイクロブラシを選択的に形成する工程でも、図１に示す構造は実現できる。
【００４４】
更に、（ロ）の工程で、Ａｌ薄膜の表面の全面を陽極酸化し、全面に多孔質被膜１３を形成した。しかし、Ａｌ薄膜の表面の一部のみを露出するようにマスキングして、選択的な陽極酸化をすれば、接点として予定した位置にのみ、選択的に多孔質被膜１３のパターンを形成できる。この後、この選択的に形成された多孔質被膜１３のパターン内に埋込金属層１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，・・・・・を埋め込んでも、図１に示す構造は実現できる。
【００４５】
（第２実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係るマイクロスイッチは、図９に示すように、基板（ガラス基板）１０と、この基板（ガラス基板）１０の表面に設けられた第１電極（ドレイン電極）１８、制御電極（ゲート電極）１７及び第２電極（ソース電極）１６と、第１電極（ドレイン電極）１８の上部に接して設けられ、それぞれ直径１０〜１００ｎｍの導電性の柱が、面密度１０^９〜１０^１１／ｃｍ^２で集合したマイクロブラシからなる第１接点３２と、第２電極（ソース電極）１６を介して基板１０の上に支持され、制御電極（ゲート電極）１７に与えられる静電気力で駆動され、可動先端部に第１接点３２と対向する第２接点３６を有する片持ち梁構造のビーム３５とを備える。ビーム３５はビーム下地膜３４に裏打ちされている。第２電極（ソース電極）１６は、制御電極（ゲート電極）１７及び第１電極（ドレイン電極）１８はＴｉ−Ｗ膜から構成されている。第１接点３２及び第２接点３６は共に、信頼性と耐久性の良いタングステン（Ｗ）が用いられている。第２の実施の形態に係るマイクロスイッチにおいて、導電性の柱の長さが０．２μｍ〜１０μｍであることが好ましい。導電性の柱の長さを０．２μｍ〜１０μｍ程度に選ぶことにより、第１接点３２のマイクロブラシを構成する細長の柱の各々は、少なくとも１ｍＮ程度以下の僅かな荷重で座屈するように設定できる。
【００４６】
第１の実施の形態で説明したように、第１接点３２のマイクロブラシを構成するこれらの長柱は、ミクロには、第１接点３２の表面の凹凸に相当する長さの分布を持っている。片持ち梁構造のビーム３５が駆動され、第１接点３２に第２接点３６が接触する場合、先ず第１接点３２の最も長い柱に荷重が加わり、荷重が柱の座屈荷重を超えると最も長い柱は座屈して、次に長い柱に接触し、更に荷重が加わり次に長い柱が座屈して、・・・・・という一連の経過をたどる。一度、座屈した柱は変形にそれ以上の荷重を有しないので、第１接点３２において第２接点３６に接触する柱の数は荷重に比例することになる。この様にして、制御電極（ゲート電極）１７に与えられる静電気力によるｍＮオーダーの微弱な力でも、マイクロブラシを構成する長柱の長さの分布に関係なく、加えた荷重に必ず見合うだけの接触点数が確保でき、接触抵抗を下げることができる。この様にして第１接点３２と第２接点３６間の接触抵抗を下げられるので、接点材料として変形しやすいＡｕ以外の材料を使用することが可能となる。
【００４７】
図１０は本発明の第２実施の形態に係わるマイクロスイッチの製造方法を示す図であり、図７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。
【００４８】
（イ）　本発明の第２の実施の形態の図１０（ａ）から図１０（ｄ）までの工程は、第１の実施の形態の図７（ａ）から図７（ｄ）までと基本的には同じである。しかし、第１実施例における第１金属膜１１としての薄いＡｕ膜１２は本発明の第２の実施の形態ではＷ膜３０である。また、多孔質被膜１３の細孔１３ｈ内に、導電性材料（マスク材料）として、Ａｕ−Ｎｉ合金の代わりに、例えばメッキを用いてクロム（Ｃｒ）からなる埋込金属層３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，・・・・・を、図１０（ｄ）に示すように埋め込む。これにより多孔質被膜１３内にマスク材料となる埋込金属層３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，・・・・・の第２マイクロブラシ３１が形成される。
【００４９】
（ロ）　次に、多孔質被膜１３と封孔被膜１４を除去した後、図１１（ｅ）に示すように、残ったＣｒの第２マイクロブラシ３１をマスクとして、ＲＩＥ等の異方性エッチングによりＷの第１マイクロブラシ３２を形成する。
【００５０】
（ハ）次に、フォトリソグラフィーによりソース電極（第２電極）１６、ゲート電極（制御電極）１７及びドレイン電極（第１電極）１８にパターンニングする。第２マイクロブラシ３１を除去すれば、図１１（ｆ）に示すようにドレイン電極（第１電極）１８の上部にＷの第１マイクロブラシ３２が残留する。
【００５１】
（ニ）次、犠牲層となるＳｉＯ_２層１９を、ソース電極（第２電極）１６、ゲート電極（制御電極）１７、ドレイン電極（第１電極）１８及び第１マイクロブラシ３２の上に堆積する。そして、フォトリソグラフィーを用いた選択エッチングによりソース電極（第２電極）１６に到達するホール２１を形成する。更に、他のレジストを塗布し、フォトリソグラフィーを用いた選択エッチングにより、図１１（ｇ）に示すように凹部２０を形成する。
【００５２】
（ホ）次に、更に他のレジスト層２２を犠牲層（ＳｉＯ_２層）１９の上にスピン塗布し、フォトリソグラフィーを用いてパターンニングする。レジスト層２２のパターンニング後、スパッタリングにより第３金属膜３３としてのＷ層を堆積する。次いでメッキにより第４金属膜３５ｆとしてのＣｕ膜を堆積する。
【００５３】
（ヘ）そして、レジスト層２２と犠牲層１９を除去すれば、図９に示すようなビーム下地膜３４に裏打ちされた片持ち梁構造のビーム３５が完成する。ビーム３５の可動先端部の近傍のビーム下地膜３４の一部が第２接点３６となる。第２接点３６は、犠牲層（ＳｉＯ_２層）１９の凹部２０に対応した形状である。
【００５４】
本発明の第２の実施の形態に係るマイクロスイッチの製造方法によれば、信頼性と耐久性の良いＷを第１接点３２及び第２接点３６の接点材料とすることができ、低オン電圧で信頼性に優れたマイクロスイッチが提供できる。
【００５５】
なお、第１の実施の形態で説明したように、他の製造方法でも、図９に示す構造は実現できる。例えば、多孔質被膜１３を接点となる部分のみを残して封孔処理を行わずに、全面に形成された多孔質被膜１３のすべての細孔１３ｈ内に、埋込金属層３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，・・・・・を埋め込み、マイクロブラシを全面に形成した後、接点となる部分にのみ第２マイクロブラシ３１を残す方法でも、図９に示す構造は実現できる。更に、全面に多孔質被膜１３を形成せず、Ａｌ薄膜の表面の一部のみを露出するようにマスキングして、選択的な陽極酸化をし、第２マイクロブラシ３１を形成する予定の位置にのみ、選択的に多孔質被膜１３のパターンを形成する方法でも、第２マイクロブラシ３１を形成できる。この後、第２マイクロブラシ３１をマスクにして、第１マイクロブラシ３２を形成しても、図９に示す構造は実現できる。
【００５６】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１及び第２の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００５７】
以上の説明は一例に過ぎず、例えばマイクロブラシよりなる第１接点１５，３２の候補としては、他にも金属的な導電性を示すカーボンナノチューブが考えられる。カーボンナノチューブもまた細長い長柱状の形状をしている。更に通常の方法で作製したカーボンナノチューブは、規則的な配列をしておらず図５（ｃ）に示したような傾いた長柱も数多く含まれている。したがって、本発明の第１及び第２実施の形態に係わるマイクロスイッチと同様の効果を得ることが可能である。
【００５８】
また多孔質被膜１３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１３を形成するメタルを用いても良い。また埋込金属層３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，・・・・・は本発明の第１の実施の形態のＡｕ−Ｎｉ合金や第２の実施の形態のＷに限定されない。
【００５９】
第１及び第２の実施の形態においては、ビーム２３，３５と第２電極１６とが電気的に接続された場合で説明したが、一般には、ビーム２３，３５と第２電極１６とは電気的に接続されている必要はない。第１接点１５，３２及び第２接点２４，３６を含む本回路と制御電極（ゲート電極）１７でビーム２３，３５を駆動する補助回路とを空間的に異なる位置に配置した方が、信号に雑音が乗らず好ましい。この様な場合、第２電極１６とは、異なる位置で本回路にビーム２３，３５を電気的に接続することも可能である。
【００６０】
この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【００６１】
【発明の効果】
本発明によれば、Ａｕ以外の接点材料が使用でき、低オン電圧で信頼性に優れたマイクロスイッチ及びその製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態に係わるマイクロスイッチの構造を示す模式的な断面図である。
【図２】多孔質膜のモデルを示す鳥瞰断面図である。
【図３】陽極酸化時の孔数Ｎと電圧Ｅ_ａの関係を示す図である。
【図４】陽極酸化時のセルサイズ２Ｒと電圧Ｅ_ａの関係を示す図である。
【図５】本発明の効果を説明するための断面図である。
【図６】封孔処理を説明する工程断面図である。
【図７】本発明の第１実施の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である（その１）。
【図８】本発明の第１実施の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である（その２）。
【図９】本発明の第２実施の形態に係わるマイクロスイッチの構造を示す模式的な断面図である。
【図１０】本発明の第２実施の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である（その１）。
【図１１】本発明の第２実施の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である（その２）。
【図１２】従来のマイクロスイッチの製造方法を示す工程断面図である。
【符号の説明】
１０　基板（ガラス基板）
１１　第１金属膜
１２　Ａｕ膜（第２金属膜）
１３　多孔質被膜
１３ｂ　バリヤー層
１３ｈ　細孔
１４　封孔被膜（水和酸化物）
１５　マイクロブラシ（第１接点）
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，・・・・・　埋込金属層
１６　ソース電極（第２電極）
１７　ゲート電極（制御電極）
１８　ドレイン電極（第１電極）
１９　犠牲層
２０　凹部
２１　ホール
２２　レジスト層
２３、３５　ビーム
２３ｆ　第３金属膜
２４、３６　第２接点
３０　Ｗ膜（第２金属膜）
３１　第２マイクロブラシ
３２　第１マイクロブラシ
３３　第３金属膜
３５ｆ　第４金属膜
１００　Ｓｉ基板
１０１　熱酸化膜
１０２　膜
１０３　第１コンタクト層（Ａｕ膜）
１０４　ソース電極（第２電極）
１０５　ゲート電極（制御電極）
１０６　ドレイン電極（第１電極）
１０７　犠牲層（Ｃｕ層）
１０８　凹部
１０９　ホール
１１０　レジスト層
１１１　Ａｕ膜
１１２　ビーム
１１３　凸部（第２コンタクト層）

Claims

それぞれ直径１０〜１００ｎｍの導電性の柱が、面密度１０^９〜１０^１１／ｃｍ^２で集合したマイクロブラシからなる第１接点と、該第１接点に対向した第２接点とを電気的接触部として備えることを特徴とするマイクロスイッチ。
基板と、
該基板の表面に設けられた第１電極、制御電極及び第２電極と、
前記第１電極の上部に接して設けられ、それぞれ直径１０〜１００ｎｍの導電性の柱が、面密度１０^９〜１０^１１／ｃｍ^２で集合したマイクロブラシからなる第１接点と、
前記第２電極を介して前記基板上に支持され、前記制御電極に与えられる静電気力で駆動され、可動先端部に前記第１接点と対向する第２接点を有する片持ち梁構造のビーム
とを備えることを特徴とするマイクロスイッチ。
前記導電性の柱の長さが０．２μｍ〜１０μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロスイッチ。
前記第２電極と前記第２接点とは電気的に接続されてなることを特徴とする請求項２に記載のマイクロスイッチ。
絶縁性の基板上に導電性薄膜を堆積する工程と、
該導電性薄膜の上部に、直径１０〜１００ｎｍの細孔を有する多孔質被膜のパターンを選択的に形成する工程と、
前記細孔に導電性材料を埋め込む工程と、
前記多孔質被膜を除去し、直径１０〜１００ｎｍの導電性の柱が集合したマイクロブラシを形成する工程と、
前記導電性薄膜を第１電極、制御電極及び第２電極とに分離し、前記マイクロブラシを前記第１電極上に第１接点として形成する工程と、
前記第２電極を介して前記基板に支持され、前記制御電極上に中空状態で延在し、可動先端部に前記第１接点と中空状態で対向する第２接点を有する片持ち梁構造のビームを形成する工程
とを含むことを特徴とするマイクロスイッチの製造方法。
絶縁性の基板上に第１導電性薄膜を堆積する工程と、
前記第１導電性薄膜上に第２導電性薄膜を堆積する工程と、
該第１導電性薄膜の上部に、直径１０〜１００ｎｍの細孔を有する多孔質被膜のパターンを選択的に形成する工程と、
前記細孔にマスク材料を埋め込む工程と、
前記多孔質被膜を除去し、直径１０〜１００ｎｍの柱が集合したマイクロブラシ状のマスクを前記第２導電性薄膜上に形成する工程と、
該マスクを用いて、前記第２導電性薄膜を選択エッチングし、前記第２導電性薄膜の柱が集合したマイクロブラシを形成する工程と、
前記マスクを除去する工程と、
前記第１導電性薄膜を第１電極、制御電極及び第２電極とに分離し、前記マイクロブラシを前記第１電極上に第１接点として形成する工程と、
前記第２電極を介して前記基板上に支持され、前記制御電極上に中空状態で延在し、可動先端部に前記第１接点と中空状態で対向する第２接点を有する片持ち梁構造のビームを形成する工程
とを含むことを特徴とするマイクロスイッチの製造方法。