JP2005523823A - 微小電気機械システムの製造方法 - Google Patents

Abstract

片持ち梁１１３を有するメソスケールＭＥＭＳデバイスが標準的なプリント配線板技術および高密度相互接続技術ならびに実践を用いて形成される。この梁は少なくともいくつかの高分子材料７１を含んでその長さを形成し、いくつかの実施形態では梁の耐荷重コンポーネントとして導電性材料も含む。種々の実施形態では、この梁は少なくともその端部の近位の場所、あるいはその端部の遠位の場所に取り付けられる。

Description

本発明は一般に微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）の製造方法および同装置に関する。

ＭＥＭＳデバイスおよび装置は当該技術では知られている。多大な努力（結果として、商業的には進歩しなかった）が典型的には半導体材料および半導体加工技術を利用する小さな（ほんの数マイクロメートル）のシステムに向けられてきた。また近年では、メソスケールＭＥＭＳ構造体（例えば、約２５〜１００μ）を実現するためにプリント配線板およびそれに対応する製造技術が使用可能であることも提唱されてきた。例えば、本出願と同一の譲受人によって２００１年８月１４日に出願された米国特許出願第０９／９２９，７５０号は、高密度相互接続基板技術を用いたプリント配線板のコンテキストにおいて製造され得る微小電気機械システムを記載している。

この分野において考慮するための特別に有用な１つの構造体は、片持ち梁を備えている。例えば、高周波スイッチ、可変コンデンサ等の種々の有用なデバイスを得るために、そのような構造体が利用され得る。残念ながらこれまでのところ、有機プリント配線板および高密度相互接続基板技術と共にメソスケール・レベルで機能しながらそのような機構を実現する方法に対して許容可能な提案はなされていない。

この必要性および他の必要性は、本願明細書において開示されるような微小電気機械システムの製造方法を提供することによって満たされる。この利点および他の利点は、以下の解説を十分に検証および審査することにより、および特に図面を参照することにより、より明白となろう。

当業者であれば、図面の中の要素は単純化および明瞭化を目的に示されており、必ずしも原寸大ではないことが理解されよう。例えば、図面の中のいくつかの要素の寸法は、本発明の種々の実施形態をよりよく理解し得るように他の要素に対して強調されてよい。また、いくつかの共通の要素は、焦点と明瞭さを保つために示されなくてよい。

一般に、ポストがプリント配線板上に非導電性材料から形成され、少なくとも部分的には高分子から形成された梁がそのポストに、梁がプリント配線板上で対向して片持ちされるように（梁端部の近位、あるいは梁端部の遠位のいずれかに）取り付けられる。コンデンサ・プレート、スイッチ・クロージャ、および他の有用な機構を形成するために、１つまたは複数の導電面が梁およびプリント配線板上に相互に対向して形成され得る。

１実施形態では、梁はその全長にわたって少なくともいくつかの高分子材料を有する。別の実施形態では、梁の長さの少なくとも一部分は導体などの非高分子材料を含んでいる。メソスケールＭＥＭＳデバイスを低コストで実現するために、これらの要素は通常のプリント配線板技術（高密度相互接続基板技術を含む）を用いて形成され得る。高周波デバイスを含むＲＦスイッチおよび同調コンデンサなどのデバイスは容易かつ経済的に形成され得る。以下に記載の実施形態はＲＦスイッチおよびアンテナ・スイッチなどの種々のスイッチの構成を示すことによって、これらの方法を示しているが、そのような装置は例示目的にのみ用いられたものであり、これらの方法はそのようなデバイスに一切限定するものではないことに留意すべきである。

ここで図面、特に図１を参照すると、高分子キャリア１０および導電面１２を有するプリント配線板が、ＦＲ−２〜ＦＲ−６、ポリイミド、ＣＥＭ−１〜ＣＥＭ−８、Ｇ−１０（エポキシ／ガラス繊維織物材料）、変性エポキシ樹脂、ＢＴエポキシ、シアン酸エステル、ポリテトラフルオロエチレン（テフロン）等を含む実質的に任意の適切な材料を用いて形成され得る。第１の容量性電極２１ならびに図２に示したようなＲＦスイッチのポールを含む２つの導電性トレース２２および２３（当然、実際の作動中の実施形態においては、これらトレース２２および２３は他のトレースおよび／またはデバイスに結合され得る。簡潔に示すために、このような態様はここでは示さない）を定めかつ形成するために、導電面１２が従来のプリント配線板技術を用いてプリントされ、エッチングされる。必要に応じて、ポール・トレース２２および２３よりもその高さをより低くするために電極２１が知られている技術を用いて薄くされ得る（別の方法では、あるいはそれらと組み合わせて、導電性トレースは従来のめっき技術を用いて持ち上げられ得る）（以下でより明白になるように、これは２つのポール・トレース２２と２３との間で接続を成す際に、コンデンサ電極が相互に接触しないことを確実にするために有用であろう）（また、必要に応じて、薄い絶縁体コーティングが電極２１上に配設されてよい）。図３を参照すると、犠牲層３１（例えば、Ｐｒｏｂｌｅｃ８１などのフォトイメージャブル樹脂あるいは恐らくはフォトイメージャブル・ポリイミド）がキャリア１０上に配設され、樹脂３１の大部分が後で除去されるときに、非導電性ポストになる部分を形成するために、樹脂３１の一部分４１（図４に図示）を有する導電素子２１、２２、および２３が周知の先行技術の方法に従って紫外線に曝露される。

ここで図５を参照して、梁を形成する第１の方法を記載する。銅箔などの導体５０がフォトイメージャブル絶縁体６１（例えば、Ｐｒｏｂｅｌｅｃ８１など）で被覆される（図６に図示）。そのように構成されているので、導体５０は絶縁体６１の加工用ホストまたはキャリアとして働く。図７に示すように所望の高分子アイソレータ７１が絶縁体６１内に光画像化され、図８に示すように高分子アイソレータ７１のみを残すために、残りの絶縁材料が除去される（この高分子アイソレータ７１は、適切なポリエステルまたはステンレス鋼の網目材料を通して非フォトイメージャブル樹脂をスクリーン印刷することによって形成されてもよい）。以下で明白になるように、この高分子アイソレータ７１は結果として得られる梁の長さの構造部品として機能し、さらには、梁上のコンデンサ電極をフォトイメージャブル梁の上の他の場所に位置する接触バーから電気的に絶縁するように機能する。

図９を参照すると、導体５０が図５〜８と比べて逆さまにした状態で示されており、コンデンサ電極（まだ図示せず）と接触バー（これもまだ図示せず）との間の電気的絶縁をより確実にするために空間が適切である場所に、細長穴９１が導体５０および対向する高分子アイソレータ７１を通して画像化され、エッチングされる。次に、この導体５０／高分子アイソレータ７１の組み合わせが、導体５０を逆さまにした状態で、図１０に示したような図４の樹脂３１表面樹脂アセンブリに配設され、積層される（必要に応じて、この２つのアセンブリの正確なアライメントは、重ね合せスルーホールの使用を含むが、これに限定されない知られている重ね合せ技術を用いて保証され得る）。このように構成されるので、高分子キャリア１０上に最初から形成されかつ工程のこの時点において樹脂３１内に配設されているようなコンデンサ電極２１およびポール・トレース２２および２３上に高分子アイソレータ７１が設けられる。

コンデンサ電極１１２、接触バー１１１、およびこの実施形態ではポスト３１にコンデンサ電極１１２を結合する１つまたは複数の梁要素１１３を導体５０から形成するために、従来のプリント、エッチング、およびストリッピング工程が用いられる。必要に応じて
、適切に薄い材料を提供するために（特に梁領域１１３においては、ポスト４１に対して梁が容易に動くことを確実にするためには、薄い材料が望まれるであろう）、これらの工程の前に導体５０が薄くされてよい。図１１に示したように、高分子アイソレータ７１はコンデンサ電極１１２および接触バー１１１を物理的に結合し、したがってポスト４１から接触バー１１１に延びる梁の全長の一部分を含む。この同じ高分子アイソレータ７１が接触バー１１１からコンデンサ電極１１２を電気的に絶縁することも理解されよう。

次に、ポスト４１を重合させるために構造体全体を加熱し、その後従来の技術を用いて残りの犠牲樹脂３１を除去して図１２に示した構造体を形成する。この実施形態においては、結果として得られた構造体は、導電性部分（１１３および１１２）および高分子部分７１を含んだ梁を支持する非導電性ポスト４１を有する。梁上のコンデンサ電極１１２がキャリア１０上のコンデンサ電極２１と実質的に対向して配設されるように、かつ梁上の接触バー１１１がキャリア１０上のポール・トレース２２および２３と実質的に対向して配設されるように、この梁はプリント配線板上で片持ちされる。このように構成されるので、梁をキャリア１０に向かって曲げるため、故に２つのポール・トレース２２と２３との間で接触バー１１１を橋絡接触させてスイッチ・クロージャを成すために、コンデンサは（上記構造体をより明確に示すために図示していない制御線を介して）制御され得る。同様に、キャリア１０から移動させ、これによりスイッチ接点を遮断するために上記は反転され得る。

上記のデバイスなどのデバイスは、参照されるような知られている技術を用いて約２５〜５０μ以上で容易に形成され得る。これは従来のシリコン・ベースのＭＥＭＳスケール・デバイスより大きいが、そのようなアプローチで交換され得る他の個別部品と比較して依然として非常に小さい（また、非常に安価である）。上記に従って製造されるデバイスはまた、数多くの折り曲げ事象を通しても弾力性および頑強性があることが証明されている。さらに、かつ特に上記のようなＲＦスイッチを形成するために用いられる場合、高周波信号はＲＦ信号とＤＣ制御信号との間で優れた絶縁性を有して調節され得る。

上記のように、梁は参照番号１１３で示したように導電性材料の２つの直線部分を含んでいる。その他の代替例が使用可能である。いくつかの用途に対してはただ１つの直線部分が有効であるかもしれないが、他の用途は３つ以上のそのような直線部分から利点を得るかもしれない。図１３を参照すると、非直線部分１３１が使用されてもよい。実際、提供される弾力性が増大すると、好適な実施形態は１つまたは複数の非直線部分を含むと思われる。図示したように、比較的単純な非直線の湾曲パタンが使用されてよい。当然、３つ以上の梁部分内に形成されるパタンを含む他のパタンも使用されてよい。

上記実施形態は結果的に得られる梁の長さの部分として導体を利用する。必要に応じて、梁はその全長として高分子材料を構造的に含んでよい。例えば、図１４を参照すると、フォトイメージャブル絶縁体１４２が導体１４１（また、この実施形態においては銅箔である）から成る加工ホスト上に被覆されており、梁領域１４３を形成するために標準的な加工技術が用いられる。図１５に示したような結果的に得られる梁１５１を形成するために、この時点では高分子材料１４２および導体１４１から成る囲繞している高分子材料１４２が除去される。バイア１５２もエッチングまたは穴開けされ得る（最終的に、このバイアは梁１５１上に形成されるコンデンサ・プレートと梁１５１と対向する導体との間に電気的接続を提供するであろう）。バイア１５２のみを示しているが、当然用途に応じて付加的なバイアが使用されてよい。

図１６を参照すると、導電性材料が梁１５１上に選択的に堆積されて、コンデンサ・プレート１６１および接触バー１６２を形成している。別の方法では、これらの特徴を形成するために、梁１５１の全体あるいは大半に導電性材料をめっきし、次に選択的に除去し
てよい。続いて、図１０に関して記載したような積層化が実行される。

ここで図１７を参照し、梁１５１の反対側を見ると、元の導体材料１４１が画像化およびエッチングされて制御面および制御線１７２を形成している。制御線１７２はＤＣ制御電圧がコンデンサ電極１６１に印加され、したがって、梁１５１が一旦上記のようなポストに取り付けられたときに接触バー１６２とのスイッチ接続を成しかつ遮断するために、上記のような梁１５１の制御を容易にすることを可能にする。例えば、梁１５１は図１２に関して記載したように取り付けられ、片持ちされ得る。

このように構成されるので、その全長として高分子材料を含む梁は、いくつかの用途に有用であり得るように実現化されてよい。
ここで図１８を参照すると、シングル・ポール・ダブル・スロー・スイッチを含むさらに別の例示的実施形態が記載される。上記のように、梁構造体は積層化法を用いて形成され得る。この実施形態では、梁はその両端部上に配設された延長部１８４および１８５を有する本体部分１８１を含む。この実施形態では、通常本体部分１８１は銅などの導体から成り、約１００ミルの長さ、約６０ミルの幅、および約０．８ミルの厚さを有してよい。延長部１８４および１８５は高分子材料から構成されてよく、約２０ミルの幅を有し、かつ本体部分１８１の端部を超えて約２０ミルほど延びてよい。以下に詳細に示すようなスイッチ接点として機能するために、（銅などの）導体１８６および１８７が延長部１８４および１８５の各々に配設されている。

この実施形態における本体部分１８１はそこから側方に延在する２つのねじれ旋回軸部材１８２および１８３も備える。これらねじれ旋回軸部材１８２および１８３は本実施形態においては本体部分１８１自身と同じ材料から構成され、実際、本体部分と一体になっている。以下により詳細に記載するように、これらのねじれ旋回軸部材１８２および１８３は、特定の方向に向けて機械的に梁にバイアスをかけるように機能する。しかし同時に、このバイアスが圧倒的に強力なものではない場合、応答時間、必要な起動電圧、および重要な他の設計基準が十分に提供される。したがって、好適な実施形態では、ねじれ力を比較的広い領域に分散させるために、ねじれ旋回軸部材１８２および１８３の各々は蛇行したコンフィギュレーションに形成される。１つには結果として得られる部材の全体的な硬さの要因が、その長さ、幅、および厚さのいずれかを変えることによって容易に調整され得るので、このようなコンフィギュレーションは有利である。当然、必要に応じ、かつ所定の用途に応じて、同じ目的を提供する他のコンフィギュレーションが同様に利用されてよい。

ここで図１９を参照すると、この実施形態もプリント配線板１０を提供し、該プリント配線板１０上に載る種々の特徴を有する。特に、導電性制御面１９３が、以下に詳細に示されるような梁を引き付け、これにより梁に影響を及ぼすために適切に配置されるであろう場所内に配設される。この実施形態はまた、非導電性高分子材料ならびに導電性トレース１９６／１９７および１９４／１９５の２対から成る２つのポスト１９１および１９２を含んでおり、この対の各々は電流がそこを流れないように導通遮断部を含む。導電性トレース１９４／１９５の対の一方は比較的厚い（例えば、厚さ約２．０ミル）が、残りの導電性トレース１９６／１９７の対は比較的薄い（例えば、厚さ約１．０ミル）。この厚さの差の目的は以下でより詳細にする（この高さの差異が達成されるであろう他の方法があることに留意すべきである。例えば、この導電性トレースは等しい厚さであり得るが、一方は非導電性材料の高くなった部分の上に配置され得る）。

ここで図２０を参照すると、非導電性ポスト１９１および１９２が２つのねじれ旋回軸部材１８２および１８３の端部を支持するように、図１８に示した梁構造体が反転され、図１９に示したプリント配線板構造体上に配設されている（好適な実施形態においては、
ポストおよび旋回軸部材は、適切な積層技術あるいは他の適切な固定および／または引き付け方法を用いて相互に取り付けられる）。このように構成されるので、これにより形成される旋回軸に対してプリント配線板上で２方向に梁が配置され、かつ片持ちされる。

より詳細には、導電性制御面１９３が梁の本体部分１８１の下に約０．８ミルの間隙をそれらの間に有して配設されている。さらに、スイッチ接触面１８７の一方が導電性トレースの一方の対の導通遮断部上に配設され、さらに物理的かつ電気的にこの導電性トレース対を含むトレース１９４および１９５と接触している（このような位置決めは図２２を参照すれば、よりよく分かるであろう）。導通遮断部をそのように架橋することによって、電流は一方のトレース１９４から他方のトレース１９５に容易に流れ得る。反対に、残りのスイッチ接触面１８６も残りの導電性トレース対１９６および１９７に対応するように導通遮断部上に配設される間、導電性トレース１９６および１９７が比較的薄いために、この残りのスイッチ接触面１８６は導電性トレース１９６および１９７に自身に物理的に接触しない。この実施形態では、導電面は約０．８ミルだけ相互に分離されている。故に、（図２１を参照すればより容易にわかるであろうように）スイッチ接触面１８６はこの時点では導通遮断部を架橋しない。この結果、この後者の導電性トレース１９６／１９７は開放回路を表す。

このように構成されるので、導電性制御面１９３が付勢されず、故にデバイスが基本的に静止している第１のモードの操作では、導電性トレース１９４／１９５の第１の対がその導通遮断部を対応するスイッチ接触面１８７によって架橋させるように、ねじれ旋回軸部材１８２および１８３は梁を（この図で見た場合）右に向かって旋回させる。逆に、導電性制御面１９３が付勢される第２のモードの操作では、導電性制御面１９３は梁の本体部分１８１を引き付け、これにより梁をねじれ旋回軸部材１８２および１８３の機械的ねじれに反して動かし、かつ対向する導通遮断部が対応するスイッチ接触面１８６によって架橋されるまで旋回させる。同時に、第１のスイッチ接触面１８７がそれに対応する導電性トレース１９４および１９５との物理的接触から移動され、これによりその導通遮断部が開放される。

このように構成されるので、ソース信号が導電性とレース１９４および１９６の２つに供され、かつ残りの導電性トレース１９５および１９７が別個の出力に各々結合されると、シングル・ポール・ダブル・スロー・スイッチが達成される。送信機と受信機との間でアンテナを選択的に切換え可能にするために、このスイッチは、例えば、アンテナ・スイッチとして用いられてよい。当然、これらの同じ基本的概念を用いて他のスイッチが同様に構成されてよい。例えば、２つのスイッチ接触面２３１および２３２が梁の共通部分上に位置決めされ、これにより導電性トレース２３３および２３４の第１の対および導電性とレース２３５および２３６の第２の対をそれぞれ架橋するように、上記スイッチが図２３に示したように変形されてよい。このような方法で、ダブル・ポール・ダブル・スロー・スイッチが容易に達成される。これらの教示を用いて代替的形状を有するスイッチを構成することも可能である。例えば、必要に応じて、スイッチが旋回する梁の両側上で実質的に同一となるように、左右対照のスイッチが形成されてよい。このように構成されるので、３値（オフ−オフ、オン−オフ、およびオフ−オン）を有するスイッチが容易に提供され得る。

当業者であれば、上記実施形態に関して種々の変更、変形、および組み合わせが行われてよいことが理解されよう。例えば、例えば、可変コンデンサを含む、上記のようなＲＦスイッチ以外の多数の他のデバイスが、そのように形成された片持ちはりを用いて形成されてよい。そのような変更、変形、および組み合わせは本発明の適切な範囲外のものであるとみなされるべきではない。

第１の実施形態の一部分を示す製造工程図。 第１の実施形態の一部分を示す製造工程図。 第１の実施形態の一部分を示す製造工程図。 第１の実施形態の一部分を示す製造工程図。 第１の実施形態のさらなる部分を示す製造工程図。 第１の実施形態のさらなる部分を示す製造工程図。 第１の実施形態のさらなる部分を示す製造工程図。 第１の実施形態のさらなる部分を示す製造工程図。 第１の実施形態のさらなる部分を示す製造工程図。 第１の実施形態のさらなる部分を示す製造工程図。 第１の実施形態のさらなる部分を示す製造工程図。 第１の実施形態のさらなる部分を示す製造工程図。 例示的な別の実施形態を示す詳細な平面図。 第２の実施形態を示す製造工程図。 第２の実施形態を示す製造工程図。 第２の実施形態を示す製造工程図。 第２の実施形態を示す製造工程図。 別の実施形態を示す製造工程図。 別の実施形態を示す製造工程図。 別の実施形態を示す製造工程図。 別の実施形態を示す製造工程図。 別の実施形態を示す製造工程図。 別の実施形態を示す詳細な斜視図。

Claims (10)

1. 少なくとも部分的に高分子材料から成るプリント配線板を提供する工程と、
   前記プリント配線板上に非導電性ポストを形成する工程と、
   少なくとも部分的に高分子材料から梁を形成する工程と、
   前記梁が前記プリント配線板上で片持ち支持されるように、前記非導電性ポストに前記梁を取り付ける工程と
   からなる方法。
2. 前記プリント配線板上に少なくとも１つの開放信号トレースを形成する工程をさらに含む請求項１に記載の方法。
3. 少なくとも部分的に高分子材料から梁を形成する工程が、少なくとも部分的に高分子材料から成り、かつ導電性部分を含む梁を形成する工程を含む請求項２に記載の方法。
4. 前記梁が前記プリント配線板上で片持ちされるように、前記非導電性ポストに前記梁を取り付ける工程が、前記梁が前記プリント配線板上で片持ちされるように、かつ前記梁の前記導電性部分が前記プリント配線板上の前記開放信号トレースに対向して配設されるように、前記非導電性ポストに前記梁を取り付ける工程を含む請求項３に記載の方法。
5. 有機微小電気機械システム装置を形成する方法であって、
   少なくとも部分的に高分子材料から成るプリント配線板を提供する工程と、
   前記プリント配線板上に非導電性デバイスを形成する工程と、
   導電性金属キャリアを提供する工程と、
   前記導電性金属キャリアの少なくとも一部分を高分子で被覆する工程と、
   前記導電性金属キャリア上の前記高分子の少なくとも一部分を硬化させて梁の少なくとも一部分を画定する工程と、
   前記導電性金属キャリアから離れている前記高分子の少なくとも一部分をエッチングして少なくとも部分的に高分子を含んだ梁を形成する工程と、
   前記非導電性ポストに前記梁を取り付ける工程と、
   前記梁が前記プリント配線板上で片持ちされるように、前記高分子の少なくとも一部を除去する工程と
   からなる方法。
6. 前記導電性金属キャリア上の前記高分子の少なくとも一部分を硬化させて梁の少なくとも一部分を画定する工程が、前記導電性金属キャリア上の前記高分子の少なくとも一部分を硬化させて前記梁を形成する工程からなる請求項２２に記載の方法。
7. 前記導電性金属キャリア上の前記高分子の少なくとも一部分上に導電性金属を堆積させる工程を含む請求項２３に記載の方法。
8. 前記堆積された導電性金属の少なくとも一部分を前記導電性金属キャリアの少なくとも一部分に電気的に接続するために、前記梁を介して少なくとも１つの導電性バイアを形成する工程からなる請求項２４に記載の方法。
9. 少なくとも部分的に高分子材料を含んだプリント配線板と、
   前記プリント配線板上に横たわって配設された少なくとも２つの非導電性ポストと、
   前記プリント配線板上に横たわって配設された導電性制御面と、
   前記プリント配線板上に横たわって配設された複数の導電性トレースであり、該導電性トレースの少なくとも２つが導通遮断部を有する導電性トレースと、
   当該本体両側に配設された第１および第２のねじれ旋回軸を有し、該第１のねじれ旋回軸が前記非導電性ポストの一方の上に配設され、かつ前記第２のねじれ旋回軸が前記非導電性ポストの他方の上に配設された本体、
   前記導電性制御面に少なくとも部分的に対向して配設された第１の導電性部分、
   前記導電性トレースの第１のトレース内の導通遮断部に少なくとも部分的に対向して配設された第２の導電性部分、および
   前記導電性トレースの第２のトレース内の導通遮断部に少なくとも部分的に対向して配設された第３の導電性部分
   を有する梁と
   からなるメソスケール・スイッチであって、
   前記導電性制御面が付勢されない静止状態においては、前記第２の導電性部分が、前記導電性トレースの前記第１のトレース内の前記導通遮断部を物理的かつ電気的に架橋するように、かつ前記第３の導電性部分が、前記導電性トレースの前記第２のトレース内の前記導通遮断部を物理的かつ電気的に架橋しないように、かつ、
   前記導電性制御面が付勢されたときには、前記第３の導電性部分が、前記導電性トレースの前記第２のトレース内の前記導通遮断部を物理的かつ電気的に架橋するように、かつ前記第２の導電性部分が、前記導電性トレースの前記第１のトレース内の前記導通遮断部を物理的かつ電気的に架橋しないように、
   前記第１および第２のねじれ旋回軸が前記梁にバイアスをかける、メソスケール・スイッチ。
10. 前記第１および第２のねじれ旋回軸の少なくとも一部分が蛇行形状を有する請求項３３に記載のメソスケール・スイッチ。

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