JP2005166622A - Micro machine switch - Google Patents

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義則 山田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a reliable micro machine switch.
SOLUTION: This is a micro machine switch which controls conduction and non-conduction of two high frequency signal lines provided on a substrate with a gap. The micro machine switch has a cantilever arm formed by a metal layer which repeats contact and non-contact with the two high frequency signal lines and a control electrode is arranged through a gap below the cantilever arm and arranged inside a groove so that it may be located below the two high frequency signal lines.
COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、DC(直流)からギガヘルツ以上の広い信号周波数を導通、非導通することのできるマイクロマシンスイッチに関する。 The present invention, DC (direct current) conducting a broad signal frequencies above gigahertz relates micromachine switch which can be non-conductive.

マイクロマシンスイッチの従来技術を図を用いて説明する。 It will be described with reference to FIG conventional art micromachine switch. 図12はマイクロマシンスイッチの平面図を示し、図13は図12のY−Y′における断面図を示す。 Figure 12 shows a plan view of the micromachine switch, FIG. 13 shows a sectional view along Y-Y 'in FIG. 12. マイクロマシンスイッチは図13に示すように基板110上に分離された二つの高周波信号線111、112を有し、一方の高周波信号線111に接着支持された片持ちアーム117を上下に駆動させてもう一方の高周波信号線112への導通と非導通を行うものである。 Micromachine switch has two high-frequency signal lines 111 and 112 which are separated on the substrate 110 as shown in FIG. 13, the other by driving one of the high-frequency signal line 111 cantilevered arm 117 which is adhered supported vertically and performs conduction and non-conduction of the one of the high-frequency signal line 112. 片持ちアーム117の駆動は、その下方に配置された制御電極114と片持ちアームとの電圧差により静電引力を発生し、片持ちアーム117が制御電極114に引き寄せられて、金属バンプ116が高周波信号線112に接触する。 The driving of the cantilever arm 117, the electrostatic attraction generated by a voltage difference between the arms cantilevered to the control electrode 114 which is disposed below, with cantilever arms 117 are attracted to the control electrode 114, the metal bumps 116 contacting the high-frequency signal line 112. ここで片持ちアーム117は電極111に固定支持されるようにメッキによる金属層で形成される。 Here cantilever arm 117 is formed of a metal layer by plating so as to be fixedly supported by the electrode 111. この例では厚さ約7μmの厚いAuの金属層である。 In this example a metal layer of thick thickness of about 7 [mu] m Au. 高周波信号線の電極111、112と制御電極114は電子ビーム蒸着法などにより薄いAu/Crの金属層を形成し、厚さは0.3μmである。 Electrodes 111 and 112 and the control electrode 114 of the high-frequency signal lines to form a metal layer of a thin Au / Cr by electron beam evaporation and has a thickness of 0.3 [mu] m.

マイクロマシンスイッチの構造および動作原理は上述の如くであるが、良好な高周波特性を確保できるよう構造的な工夫もなされている。 The structure and operation principle of the micromachine switch is as described above, but have also been made structural devised that can ensure good high frequency characteristics. 図12には片持ちアーム113とのコンタクト用電極115が設けられている。 The contact electrode 115 of the cantilevered arms 113 are provided in Figure 12. 図14はこの部分を取り出して示したものだが、コンタクト用電極115の幅Eは6μm程度と小さなものである。 Figure 14 is but shows retrieve this portion, the width E of the contact electrode 115 is a small one of about 6 [mu] m. この電極と片持ちアームとの間に静電容量があるので、スイッチがオフの時に高周波エネルギーの漏れが生じ、スイッチのアイソレーション特性が悪化する。 Since there is a capacitance between the electrode and the cantilever arm, the switch occurs leakage of high frequency energy in the off, isolation characteristics of the switch will be deteriorated. したがってこの静電容量を最小化することが必要であり、電極115は最小の面積としている。 Therefore it is necessary to minimize this capacitance, the electrode 115 is a minimum area. また片持ちアームと高周波信号線との接触を確実にするために図13に示す金属バンプ116を設けているが、直径1μmで厚さが0.3μmと小さなものであり、製作においては寸法の制御性が要求される。 Further are provided a metal bump 116 shown in FIG. 13 in order to ensure contact between the cantilever arm and the high-frequency signal line, is not less 0.3μm small ones thick diameter 1 [mu] m, the dimensions in the fabrication control is required.

マイクロマシンスイッチをDCからギガヘルツ以上まで使用する場合、とくにDC動作での信頼性が問題となる。 If you want to use the micro-machine switch to gigahertz or more from the DC, especially reliability in DC operation is a problem. 例えばDC動作での電流を10mAとし、コンタクト用電極の厚さと幅が前述のものであれば、この部分を流れる電流密度は5.5×10 A/cm となり高い値である。 For example the current in DC operation and 10 mA, as long as the thickness and width of the contact electrode is described above, the current density flowing through this portion is 5.5 × 10 7 A / cm 2 next higher value. マイグレーションによる断線故障がマイクロマシンスイッチの短寿命をもたらすことになる。 Disconnection failure due to migration will result in the short life of the micromachine switch.

以上に説明したようにマイクロマシンスイッチで良好な高周波特性を確保するためには、片持ちアームと高周波信号線が並行平板のように重なる面積を最小にすることが必要である。 To ensure a good high-frequency characteristics in MEMS switch as described above, it is necessary to the overlapping area as cantilever arm and the high-frequency signal line is parallel-plate to a minimum. 上述の従来例では図14に示す小面積のコンタクト用電極115を設けて片持ちアームとの接触を図っている。 In the conventional example described above has attempted to contact with the cantilever arm is provided with a contact electrode 115 of the small area shown in FIG. 14. しかしスイッチのDC動作時にコタンクト用電極を流れる電流密度はマイグレーションを加速するに十分な値であり、マイクロマシンスイッチの信頼性を著しく低下させることになる。 However the current density flowing through the Kotankuto electrode when the switch DC operation is a value sufficient to accelerate the migration would significantly reduce the reliability of the micromachine switch.

この対策として、コンタクト用電極をメッキなどにより厚く形成することが可能である。 As a countermeasure, it is possible to contact electrodes formed thick by plating. しかし厚く形成したとしても高々0.3μmの二倍か三倍程度のものであり、信頼性を著しく向上させるとは考え難い。 But even if thickly formed and at most one of the double or triple about 0.3 [mu] m, it is unlikely that a remarkably improved reliability. さらにこの構造変更は、片持ちアームとコンタクト用電極のギャップを大きく変更することになるため、片持ちアームと制御電極とのギャップも大きくなる方向に変更することになる。 Furthermore, this structure change, to become significantly changing the gap of the cantilevered arms and the contact electrode, so that the change in the direction of larger gap between the control electrode and the cantilever arm. このことはマイクロマシンスイッチの駆動電圧について、その設計値を大きく変えることを意味する。 This is the driving voltage of the micromachine switch means significantly changing the design value.

片持ちアームの先端部に配置した金属バンプの寸法制御性、すなわち金属バンプの高さのバラツキは前述のように片持ちアームの変位量を変えることになり、マイクロマシンスイッチの駆動電圧にバラツキをもたらすことになる。 Dimensional control of the metal bumps disposed on the distal end of the cantilever arm, i.e. variation in the height of the metal bump becomes altering the displacement of the cantilever arms as described above, results in a variation in the drive voltage of the micromachine switch It will be.

以上の点を踏まえると、図12に示す高周波信号線112に小面積のコンタクト用電極115を配置することなく、かつ片持ちアームに金属バンプを形成することなく、良好な高周波特性と高い信頼性を確保できる対策が望まれるのである。 Given the above points, without arranging the contact electrode 115 of the small-area high-frequency signal line 112 shown in FIG. 12, and without forming a metal bump on the cantilever arms, good high frequency characteristics and high reliability can be secured measures is to be desired.

上述の問題を解決するため、本発明は、基板上にギャップを隔てて設けられた二つの高周波信号線の導通と非導通を制御するマイクロマシンスイッチにおいて、前記二つの高周波信号線に接触と非接触を行う金属層から成る片持ちアームと、制御電極が前記片持ちアーム下部の空隙を介して配置されかつ前記二つの高周波信号線より下方に位置するように溝内部に配置されたことを特徴とするマイクロマシンスイッチを提供するものである。 To solve the above problems, the present invention provides a micromachine switch for controlling conduction and non-conduction of the two high-frequency signal lines provided with a gap on a substrate, the contact and non-contact with the two high-frequency signal line a cantilever arm consisting of a metal layer to perform, and wherein the control electrode is arranged in the groove so as to be positioned from below the disposed through cantilever void arm lower and the two high-frequency signal line it is intended to provide a micromachine switch to.

マイクロマシンスイッチの構造をこのようにすることにより、高周波信号線と片持ちアームの間の静電容量を最小にするコンタクト電極の工夫を片持ちアームに持たせることが可能になり、かつ片持ちアームには金属バンプを設けることなく確実な接触が図れるものである。 By the structure of the micromachine switch in this manner, it is possible to have a twist of the contact electrode to the capacitance between the high-frequency signal line and the cantilevered arm minimize the cantilever arm and cantilevered arm to are those attained is reliable contact without providing a metal bump.

以上のように本発明の構造を採用することにより、製作工程が容易になり、かつ信頼性の高いマイクロマシンスイッチの設計を行うことができる。 By adopting the structure of the present invention as described above, the manufacturing process is facilitated, and it is possible to perform reliable micromachine switch design.

以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。 With reference to the drawings illustrating the embodiments of the present invention. 図1は本発明によるマイクロマシンスイッチの平面図を示し、図2はX−X′で切断した時の断面図を示す。 Figure 1 shows a plan view of a micromachine switch according to the present invention, FIG 2 shows a sectional view taken along with X-X '. マイクロマシンスイッチの基板1は半絶縁性GaAs基板で構成している。 Substrate 1 micromachine switch is constituted by a semi-insulating GaAs substrate. 片持ちアームは図1の5、6、7の部分から構成され、5の部分は高周波信号線2に接着支持される。 Cantilever arm consists 5,6,7 portion of FIG. 1, part of the 5 is adhesive support to the high-frequency signal line 2. 7の部分は制御電極4との間に静電引力が必要となるため、設計された面積を有し、6の部分は高周波信号線3との接触を図り、かつ静電容量を最小にするために面積を小さくしたコンタクト用電極である。 For 7 part of which is required an electrostatic attractive force between the control electrode 4, has an area that is designed, the portion of the 6 strive to contact the high frequency signal line 3, and the electrostatic capacity to a minimum it is smaller the contact electrode area to. 高周波信号線3は高周波設計で決められた線幅を維持し、形状の変化を設けていない。 High-frequency signal line 3 maintains a line width which is determined by the high-frequency design, not provided with a change in shape. また図2の断面図からも分かるように、従来例で見られた金属バンプを必要とすることなく片持ちアームのコンタクト用電極6は高周波信号線3に接触できる。 Also, as can be seen from the sectional view of FIG. 2, the contact electrode 6 of the arm cantilevered without requiring metal bumps seen in the conventional example it may make contact with the high-frequency signal line 3. この理由は、制御電極4が半絶縁性GaAs基板の溝部8に配置されているためであり、金属バンプが無くても片持ちアーム7が制御電極4に接触する懸念が無いからである。 This is because the control electrode 4 is because being arranged in the groove 8 of semi-insulating GaAs substrate, there is no fear that the arm 7 has even without metal bumps piece comes into contact with the control electrode 4. 片持ちアーム7と制御電極4のギャップは溝部8の深さで決めることが出来る。 Gap control electrode 4 and the cantilever arm 7 can be determined by the depth of the groove 8.

この実施例の目的の一つとして、従来技術で説明したマイクロマシンスイッチの主要な寸法を取り入れたうえで、本発明による構造が容易に製作できることを示すことにある。 One object of this embodiment, upon incorporating the major dimensions of the micromachine switch described in the prior art, the structure according to the present invention is to show that you can easily be manufactured. 図3は図2を拡大し、各部の構造が分かるようにしたものである。 Figure 3 is an enlarged FIG. 2, in which as the structure of each part can be seen. 片持ちアームは電解メッキによりAu層を構成し、厚さは従来例に合わせて約7μmとしている。 Cantilever arms constitutes an Au layer by electroplating, the thickness is set to about 7μm in accordance with the prior art. また高周波信号線3と制御電極4はAu/Crで構成し、厚さCを0.3μmとした。 The control electrode 4 a high frequency signal line 3 is constituted by Au / Cr, and the thickness C and 0.3 [mu] m. Bは片持ちアーム7と制御電極4とのギャップを示し、従来例では特に明記しなかったが0.8μm程度のものであり、Aは約0.2μmである。 B represents a gap between the control electrode 4 and the cantilever arm 7, although not explicitly stated in the conventional example is of the order of 0.8 [mu] m, A is about 0.2 [mu] m. したがって溝部8の深さDは0.6μmとなり、半絶縁性GaAs基板の溝部の加工としては平易なものである。 The depth D of the thus grooves 8 0.6μm, and the those plain as machining of the grooves of the semi-insulating GaAs substrate.

以下では本発明の実施形態を製作工程を示しながら説明する。 In the following description while showing manufacturing steps of the embodiment of the present invention. 図4は、半絶縁性GaAs基板1上に、制御電極形成予定域をエッチングにより形成した断面図である。 4, on a semi-insulating GaAs substrate 1 is a sectional view of the control electrode formation planned area was formed by etching. フォトレジストを半絶縁性GaAs基板上に塗布し、熱処理を行った後、マスクを介して露光し、現像することにより制御電極予定域8を開口する。 Coating a photoresist on a semi-insulating GaAs substrate, subjected to heat, is exposed through a mask, to open the control electrode will range 8 by development. その後に過酸化水素を混合したリン酸系溶液でGaAs結晶を0.5μmの深さにエッチングする。 Thereafter etching the GaAs crystal to a depth of 0.5μm in phosphoric acid solution prepared by mixing hydrogen peroxide. 次にフォトレジストを除去する。 Next, the photoresist is removed.

図5は、前記半絶縁性GaAs基板上に、高周波信号線2、3と制御電極4を形成した時の断面図を示す。 Figure 5 is a semi-insulating GaAs substrate, shows a cross-sectional view of forming a high-frequency signal lines 2, 3 control electrode 4. フォトレジストを半絶縁性GaAs基板上面に塗布し、マスク露光と現像を行い、高周波信号線予定域と制御電極予定域を開口し、電子ビーム蒸着装置によりCrを500Å、Auを2500Å被着し、リフトオフにより図5の断面図を得る。 The photoresist is applied to the semi-insulating GaAs substrate upper surface, followed by development and mask exposure, and opening the high-frequency signal lines will band control electrode will range, the Cr 500 Å, and Au was 2500Å deposited by electron beam evaporation apparatus, a sectional view of FIG. 5 by lift-off.

図6と図7は、電解メッキにより片持ちアームを形成するための選択メッキの工程を示したものである。 6 and 7 illustrates a selective plating process for forming a cantilever arm by electrolytic plating. 図6に示すように、フォトレジスト9を塗布し、マスク露光と現像を行い高周波信号線2の領域を開口する。 As shown in FIG. 6, a photoresist is coated 9, an opening area of ​​the high-frequency signal line 2 and developed with a mask exposure. このGaAs基板上面に電子ビーム蒸着装置によりAuを1000Å堆積し、これを電解メッキの取り出し電極(陽極)11とする(図7)。 This Au was 1000Å is deposited by electron beam evaporation apparatus GaAs substrate upper surface, which is referred to as take-out electrode (anode) 11 of the electrolytic plating (FIG. 7). 続いてフォトレジスト12により、片持ちアーム形成予定域を開口した形状を作る。 Then the photoresist 12, make an opening shape of the arms to be formed region cantilevered.

図8は、前記GaAs基板にAuの電解メッキ13を行った図である。 Figure 8 is a diagram subjected to electrolytic plating 13 of Au on the GaAs substrate.

図9は、フォトジストを除去し、露出した電解メッキの取り出し電極をエッチング除去し、GaAs基板裏面にAu10を形成してマイクロマシンスイッチが完成した図である。 9, removing the photo resist, the extraction electrode of the exposed electrolytic plating is removed by etching, a diagram micromachine switch was completed by forming a Au10 the GaAs substrate back surface.

以上で本発明による一つの実施例を説明したが、同様の効果が得られる別の実施例について説明する。 Has been described one embodiment of the present invention above, a description will be given of another embodiment in which the same effect can be obtained.

図10は、半絶縁性GaAs基板に代わってSi基板を使用した具体例である。 Figure 10 is an example of using the Si substrate in place of the semi-insulating GaAs substrate. Si基板14の上に厚さ0.6μmのSiO 膜を形成し、図に示すように制御電極が配置する領域のSiO 膜をエッチング除去し、溝部16を形成する。 The SiO 2 film having a thickness of 0.6μm was formed on the Si substrate 14, a SiO 2 film in the region where the control electrode is arranged as shown in FIG removed by etching to form a groove 16. この後は、前述の実施例と同様の製作工程を行い、高周波信号線2、3と制御電極4、電解メッキにより片持ちアーム、そして基板裏面にAu10を形成してマイクロマシンスイッチが完成する。 Thereafter, the same manufacturing process in the previous embodiment, the high-frequency signal line 2 and the control electrode 4, the cantilever arms by electrolytic plating, and micromachine switch is completed by forming a Au10 back surface of the substrate. ここでSiO 膜の厚さを0.6μmに限定はしない。 Here without limitation the thickness of the SiO 2 film to 0.6 .mu.m. 1μmであっても10μmであっても本発明の効果を損なうことは無い。 It never is 10μm even 1μm impair the effects of the present invention. 本発明では、制御電極が高周波信号線より下方に位置するように溝部が形成され、そこに制御電極が配置されることを特徴としている。 In the present invention, the control electrode is the groove so as to be positioned below the high-frequency signal line is formed, and is there to the control electrode is being arranged.

図11は、片持ちアーム7が高周波信号線2、3に接着支持されていない構造への実施例である。 Figure 11 is an example of the structure cantilever arm 7 is not adhesive support to the high-frequency signal lines 2 and 3. 片持ちアーム7の下方の溝部8に制御電極4が配置され、片持ちアームの先端部には二つのコンタクト用電極6が形成され、高周波信号線2、3に接触、非接触を行うものである。 Is arranged a control electrode 4 in the groove 8 of the lower cantilever arm 7, the distal end portion of the cantilever arm two contact electrodes 6 are formed, in contact with the high-frequency signal lines 2 and 3, and performs non-contact is there.

以上に説明した実施例は、金属層から成る片持ちアームを有するマイクロマシンスイッチであるが、片持ちアームが金属層を被着したSiO 、SiN、あるいはSi結晶などの誘電体から成る構造体でも同様の効果が得られるものである。 Embodiments described above is a micromachine switch having a cantilever arm consisting of a metal layer, also a structure made of a dielectric material such as SiO 2, SiN, or Si crystals cantilever arm is deposited a metal layer in which the same effect can be obtained.

本発明によるマイクマシンスイッチの平面図 Plan view of the microphone machine switch according to the present invention 本発明によるマイクマシンスイッチの断面図 Sectional view of the microphone machine switch according to the present invention 本発明によるマイクマシンスイッチの部分拡大図 Partially enlarged view of the microphone machine switch according to the present invention 本発明によるマイクマシンスイッチの製作工程図 Manufacturing process diagram of the microphone machine switch according to the present invention 本発明によるマイクマシンスイッチの製作工程図 Manufacturing process diagram of the microphone machine switch according to the present invention 本発明によるマイクマシンスイッチの製作工程図 Manufacturing process diagram of the microphone machine switch according to the present invention 本発明によるマイクマシンスイッチの製作工程図 Manufacturing process diagram of the microphone machine switch according to the present invention 本発明によるマイクマシンスイッチの製作工程図 Manufacturing process diagram of the microphone machine switch according to the present invention 本発明によるマイクマシンスイッチの製作工程図 Manufacturing process diagram of the microphone machine switch according to the present invention 本発明によるマイクマシンスイッチの実施例 EXAMPLE microphone machine switch according to the present invention 本発明によるマイクマシンスイッチの実施例 EXAMPLE microphone machine switch according to the present invention 従来技術によるマイクマシンスイッチの平面図 Plan view of the microphone machine switch according to the prior art 従来技術によるマイクマシンスイッチの断面図 Sectional view of the microphone machine switch according to the prior art 従来技術によるマイクマシンスイッチの部分拡大図 Partially enlarged view of the microphone machine switch according to the prior art

符号の説明 DESCRIPTION OF SYMBOLS

1…半絶縁性GaAs基板 2、3、111、112…高周波信号線4、114…制御電極 5…片持ちアームの支持部分6…片持ちアームのコンタクト用電極部分 7…片持ちアームの制御電極対向部分8、16…溝部 9…基板裏面の金属 10…膜膜金属11、12…フォトレジスト 13…メッキによる金属層14…Si基板 15…SiO 膜 110…基板113、117…片持ちアーム 115…コンタクト用電極116…金属バンプA…片持ちアームと高周波信号線とのギャップB…片持ちアームと制御電極とのギャップC…高周波信号線の電極厚さ D…溝部の深さ E…コタンクト用電極の幅 1 ... semi-insulating GaAs substrate 2,3,111,112 ... high frequency signal line 4,114 ... control electrodes 5 cantilevered arm of the support portion 6 ... cantilevered contact electrode portions 7 ... cantilever arm control electrode of the arms facing portion 8, 16 ... groove 9 ... rear substrate surface of the metal 10 ... film film metal 11, 12 ... photoresist 13 ... metal layer by plating 14 ... Si substrate 15 ... SiO 2 film 110 ... substrate 113, 117 ... cantilever arms 115 ... for the gap C ... RF signal line electrode thickness D ... groove depth E ... Kotankuto the gap B ... cantilever arm and the control electrode of the electrode 116 ... metal bumps a ... cantilever arm and the high-frequency signal line contacts the width of the electrode

Claims (3)

  1. 基板上にギャップを隔てて設けられた二つの高周波信号線の導通と非導通を制御するマイクロマシンスイッチにおいて、前記二つの高周波信号線に接触と非接触を行う金属層から成る片持ちアームと、制御電極が前記片持ちアーム下部の空隙を介して配置されかつ前記二つの高周波信号線より下方に位置するように溝内部に配置されたことを特徴とするマイクロマシンスイッチ。 In micromachine switch for controlling conduction and non-conduction of the two high-frequency signal lines provided with a gap on a substrate, a cantilever arm comprising a metal layer for the contact and non-contact with the two high-frequency signal line, the control micromachine switch electrode is characterized in that it is disposed within the groove so as to be positioned from below the disposed through cantilever void arm lower and the two high-frequency signal line.
  2. 前記片持ちアームは一方の高周波信号線に接着支持されていることを特徴とする請求項1に記載のマイクロマシンスイッチ。 Micromachine switch according to claim 1, wherein said cantilevered arms are bonded supported on one of the high-frequency signal line.
  3. 前記片持ちアームは金属が被着された誘電体であることを特徴とする請求項1に記載のマイクロマシンスイッチ。 Micromachine switch according to claim 1 wherein the cantilever arm which metal is characterized by a dielectric that is deposited.
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