JP2006326701A

JP2006326701A - 微小電気機械デバイス

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Publication number: JP2006326701A
Application number: JP2005149712A
Authority: JP
Inventors: Naohiro Tanaka; 均洋田中; Koji Nanbada; 康治難波田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-05-23
Filing date: 2005-05-23
Publication date: 2006-12-07

Abstract

【課題】微小電気機械デバイスを構成する微小電気機械素子に対する静電気的、あるいは落雷などの強信号入力による破壊防止を可能にする。
【解決手段】静電駆動型の微小電気機械素子２の前後段に静電破壊を阻止する保護手段６、７が接続されて成る。保護手段としては、保護ダイオード、保護用コンデンサ、保護用スイッチ、バッファとして機能する増幅回路から選ぶことができる。
さらに、静電駆動型の微小電気機械素子の前段にプルイン電圧が低い犠牲微小電気機械素子が接続されて成る。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電駆動型の微小電気機械素子を有する微小電気機械デバイスに関する。より詳しくは、機械振動子の共振現象を利用してアナログ電気信号、とりわけ高周波（ＲＦ）領域の電気信号を加工する、変調、フィルタリング、あるいは信号の位相を変化させる微小電気機械デバイスに関する。

マイクロマシン（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて作製された微小振動子、例えば静電駆動型のＭＥＭＳ共振器が知られている。このようなＭＥＭＳ共振器はミシガン大学を始めとする研究期間から提案されている（非特許文献１参照）。

静電駆動型のＭＥＭＳ共振器はインピーダンスが高いという特徴がある。この特徴は５０Ωの特性インピーダンスで構成されるＲＦ信号回路とは馴染みが悪い。静電駆動型のＭＥＭＳ共振器のインピーダンスを下げる方策の１つとして、空間を挟んで相対向する下部電極と可動梁（いわゆるビーム）間の間隔を狭めることが成され、例えば、１００ｎｍ以下のものが研究試作されている。また、駆動電圧を下げたいとの要請から、梁の膠接電圧（プルイン電圧）が２０Ｖを下回る静電駆動型のＭＥＭＳ共振器が研究試作されている。なお、膠接電圧（プルイン電圧）とは、梁に直流バイアス電圧（以下、ＤＣバイアス電圧という）を印加して駆動させたときに、梁が撓んで下部電極に接触するときのＤＣバイアス電圧である。

このような静電駆動型のＭＥＭＳ共振器を他のデバイスと組み合わせて用いる場合には実装作業が不可欠であるが、実装作業に起因する種々の問題を視野に入れたデバイス設計は殆ど成されていない。また、低い膠接電圧を持つ静電駆動型のＭＥＭＳ共振器に強信号が入力される時に起こる共振器の破壊現象に対する対策も殆ど成されていない。

C.T-Nguyen, Micromechanical components for miniaturized low-power communications(invited plenary),proceedings,1999IEEE MTT-S International Microwave Symposium RF MEMS Workshop,June,18,1999,pp,48-77,

デバイスの搬送、実装の過程では、人体や器材に起因するデバイスの静電破壊が問題となる。不要なデバイス破壊を最小限に食い止めることが、商品の低価格化あるいは利益確保、省資源の立場から、強く要請されている。

また、被雷や、入力電磁波の重なりに起因してＭＥＭＳ共振器の仕様を越えた強入力が成されることがある。これらの状況にＭＥＭＳ共振器が置かれた場合であっても、共振器の復旧不可能な動作不能を避けられ、状況が好転した時には元の状態に戻ることが要請されている。商品の信頼性を上げることにより、顧客の満足を得ることができ、不要な修理に伴うエネルギー、資源の浪費を防ぐことができるものである。

本発明は、上述の点に鑑み、ＭＥＭＳ素子等の微小電気機械素子に対する静電気的、あるいは落雷などの強信号入力による破壊防止を可能にした、微小電気機械デバイスを提供するものである。

本発明に係る微小電気機械デバイスは、静電駆動型の微小電気機械素子の前後段に静電破壊を阻止する保護手段が接続されて成ることを特徴とする。

保護手段としては、保護回路、保護用コンデンサ、保護用スイッチ、バッファとして機能する増幅回路などから選ぶことができる。また、このような保護手段を１つまたは複数を含んで静電駆動型の微小電気機械素子の前後段に接続するようになすこともできる。

この微小電気機械デバイスでは、微小電気機械素子の前後段に静電破壊を阻止する保護手段が接続されるので、ある閾値を越えた電圧が印加されても電荷は保護回路を通して接地側に流れ、実効的に印加電圧は緩和され、微小電気機械素子の静電破壊が阻止される。

本発明に係る微小電気機械デバイスは、静電駆動型の微小電気機械素子を含み、信号線路が接地された状態で出荷されるように構成されていることを特徴とする。

この微小電気機械デバイスでは、出荷のときには信号線路が接地された状態にあるので、ある閾値を越えた電圧が印加されても電荷は保護回路を通して接地側に流れ、微小電気機械素子が静電破壊されることはない。微小電気機械デバイスを使用するときは、信号線路と接地が分離される。

本発明に係る静電駆動型の微小電気機械素子からなるフィルタを含み、フィルタの前段の信号線路にフィルタの透過帯域と異なる共振周波数を有する微小電気機械共振器が接続され、微小電気機械共振器を介して信号線路が接地面に接続されて成ることを特徴とする。

この微小電気機械デバイスでは、不要な強信号が入力された場合には、フィルタに入力される前に前段に置かれた微小電気機械共振器が破壊され、フィルタの破壊が阻止される。

上述の本発明に係る微小電気機械デバイスによれば、組み立て工程、保存、出荷・搬送中などにおいて、微小電気機械振動子に対する静電破壊を防止することができる。また、実動作時の落雷、あるいは集合アンテナ近傍の強電界等による強信号から微小電気機械振動子を保護することができる。従って、商品の信頼性を向上することができる。

本発明の実施の形態に係る微小電気機械デバイスは、例えば、静電駆動型の微小電気機械素子を含んでなるＳｏＣ（システム・オン・チップ）、或いはＳｉＰ（システム・イン・パッケージ）等の半導体デバイスにおいて、この半導体デバイスを信号線路が接地されている状態で顧客（デバイスを組み立てる人）に提供し、安全な状態に組み立て接地された後に簡便な操作で、接地を開状態にできるような仕組みに構成する。

本実施の形態の微小電気機械デバイスの一例としては、静電駆動型の微小電気機械素子の信号入力線路に直列にコンデンサを挿入して構成する。この構成では、コンデンサにより、サージ入力のショックを緩和し、微小電気機械素子の静電破壊から保護することができる。また、信号線路を通しての、微小電気機械素子から、あるいは、微小電気機械素子への直流入力は、該コンデンサにより遮断される。従って、該コンデンサは微小電気機械素子を静電破壊から保護すると共に、微小電気機械素子に接続された回路あるいは素子を不要な微小電気機械素子からの直流出力から保護する用を成すことができる。例えば、比誘電率２００、膜厚５００ｎｍの（ＢａＳｒ）ＴｉＯ_３薄膜を用いて平行平板型のコンデンサを形成したとすると、０．５ｍｍ角の基板面積で１ｎＦの容量を得ることができる。この場合の時定数は５０ｎｓ程度（２０ＭＨｚに対応）となる。時定数は微小電気機械素子の、想定される取り扱い信号周波数領域に応じて選択することができる。更に高周波に対応するにはコンデンサの容量を下げればよい。この方向への技術的な対応は容易である。該コンデンサが半導体基板上に設けられることに起因する信号線路の対地容量の増加は、基板上の上層にコンデンサを設ける（集積化）ことにより低減することができる。すなわち、（ＢａＳｒ）ＴｉＯ_３薄膜及び電極金属の成膜温度を下げ、最上層にコンデンサを集積化することにより、信号線路の対地容量を低減できる。また、コンデサ下部の半導体基板への不純物ドープを最小限にすることによっても対地容量を低減することが可能である。

本実施の形態の微小電気機械デバイスの他の例としては、静電駆動型の微小電気機械素子の信号入出力線路に静電破壊を阻止する保護回路を取付けて構成する。最も単純には、ダイオードを信号線路と接地面との間に直列に接続し、ある閾値を越えた電圧が信号線路と接地面との間に印加された時には、急速に対地抵抗が下がるようにする。応答周波数を十分に高く設計すれば、ＲＦ信号に混じって入力されるサージ電圧（パルス的な不要入力）にも対応ができる。

本実施の形態の微小電気機械デバイスの他の例としては、静電駆動型の微小電気機械素子の信号入力出力線路と接地面との間にスイッチを接続して構成する。スイッチを閉じた状態で微小電気機械デバイスの保存、出荷（搬送中）をなし、使用状態でスイッチを開くように成す。

本実施の形態の微小電気機械デバイスの他の例としては、上述の保護回路を静電駆動型の微小電気機械素子の前段入力線路に設け、その後段出力線路にバッファとして機能する増幅回路を接続し、この増幅回路により出力側からの高電圧が直接静電駆動型の微小電気機械素子に印加されないように構成する。

本実施の形態の微小電気機械デバイスの他の例としては、静電駆動型の微小電気機械素子によるフィルタを有し、このフィルタの前段でフィルタの透過帯域とは異なる（望ましくは、低周波側に近接した）共振周波数をもつ、犠牲微小電気機械共振器を用いて信号線路を接地面に適切な抵抗を介して接続（シャント）して構成する。低周波側に近接した犠牲微小電気機械共振器に梁（ビーム）の長さは、フィルタを構成する微小電気機械素子の梁（ビーム）の長さに比較して長くする。これにより、犠牲微小電気機械共振器の膠接電圧が低くなるため、犠牲微小電気機械共振器をフィルタと同じＤＣバイアス電圧で駆動すると、より低いＲＦ信号入力で犠牲微小電気機械共振器が破壊に至り、フィルタ本体部分の破壊を防ぐことができる。下部電極と梁の膠着が起きた場合には、抵抗部分が発熱で切断され信号回路として復帰する。

本実施の形態で対象とする上述の微小電気機械素子は、マイクロメータスケール、ナノメータスケールの素子である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳述する。

図１に、本発明に係る微小電気機械デバイスの第１実施の形態の概念図を示す。本実施の形態に係る微小電気機械デバイス１は、微小電気機械素子２と、この微小電気機械素子２に接続された信号入力線路３及び信号出力線路４と、グランド線路５（いわゆる接地面８）とを有し、この微小電気機械素子２の前段の信号入力線路３及び後段の信号出力線路４と、グランド線路５との間にそれぞれ静電破壊を阻止する保護回路６及び７が接続されて構成される。保護回路６及び７は、本例ではそれぞれ信号線路３、４側をアノードとするダイオードＤ１と、信号線路３、４側をカソードとするダイオードＤ２との並列回路からなる。このダイオードＤ１，Ｄ２による並列回路が、信号線路３、４とグランド線路５との間に直列に接続される。信号線路３、４は、本例ではＲＦ信号線路として形成される。

微小電気機械素子２は、図１５に示す２次振動モードの構成２０１、あるいは図１６に示す１次振動モードの構成２０２を用いて構成することができる。図１５の微小電気機械素子２０１は、例えば半導体基板２０３上に絶縁膜２０４を介して下部電極となる入力電極２０５及び出力電極２０６が形成され、この入力電極２０５及び出力電極２０６に対向して空間２０７を挟んでＤＣバイアス電圧が供給される振動する梁（ビーム）２０８が形成されて成る。梁２０８は、入出力電極２０５、２０６をブリッジ状に跨ぎ、入出力電極２０５、２０６の外側に配置した配線層２０９に接続されるように、両端を支持部２１１Ａ，２１１Ｂで一体に支持される。半導体基板２０３の裏面には絶縁膜２１２を介して接地されるグランド線路５（図１参照）となる導電層２１３が形成される。この微小電気機械素子２０１は、本例ではフィルタとして用いられる。この微小電気機械素子２０１では、入力電極２０５に例えばＲＦ信号が入力されると、ＤＣバイアス電圧が供給された梁２０８と入力電極２０５間に生じる静電気力で梁２０８が２次振動モード２１４で共振し、出力電極２０６から梁２０８の固有振動数に対応した目的周波数のＲＦ信号が出力される。

図１６の微小電気機械素子２０２は、例えば半導体基板２０３上に絶縁膜２０４を介して下部電圧となる出力電極２２１が形成され、この出力電極２２１に対向して空間２０７を挟んでＤＣバイアス電圧が供給され、且つ入力電極となる梁（ビーム）２２２が形成されてなる。梁２２２は、出力電極２２１をブリッジ状に跨ぎ、出力電極２２１の外側に配置した配線層２２３に接続されるように、両端を支持部２２５Ａ，２２５Ｂで一体に支持される。半導体基板２０３の裏面には絶縁膜２１２を介して接地されるグランド線路５（図１参照）となる導電層２１３が形成される。この微小電気機械素子２０２は、本例ではフィルタとして用いられる。この微小電気機械素子２０２では、梁２２２にＤＣバイアス電圧が供給され、この梁２２２に例えばＲＦ信号が入力されると、梁２２２と出力電極２２１間に生じる静電気力で梁２２２が１次振動モード２２６で共振し、出力電極２２１から梁２２２の固有振動数に対応した目的周波数のＲＦ信号が出力される。

微小電気機械素子２は、図１５及び図１６で示す素子２０１、２０２を単数で構成することもでき、または複数の素子２０１、２０２をそれぞれ並列化して微小電気機械素子群として構成することもできる。

一方、微小電気機械素子２（２０１、２０２）における梁（２０８、２２２）には、ＤＣバイアスを供給するための直流電源回路が接続されるように成されている。この直流電源供給回路と梁（２０８、２２２）との間には、図示しないが、例えば、抵抗Ｒと一端が接地された容量Ｃで構成されるＲＣ回路（直流電圧安定化回路）、あるいはローパスフィルタ回路と一端が接地された容量で構成される直流電圧安定化回路が接続されている。これらの直流電圧安定化回路は後述するように梁に対する静電破壊防止に寄与している。

上述の第１実施の形態に係る微小電気機械デバイス１によれば、ある閾値を越えた高電圧が信号入力線路３または／及び信号出力線路４と接地面８との間に印加された時には、保護回路６、７を構成するダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３または／及びＤ４を通して高電圧は接地面８に短絡され、高電圧による微小電気機械素子の静電破壊を防止することができる。例えば信号入力線路３に正の高電圧が印加されたときには、強電圧はダイオードＤ１を通り、あるいは信号入力線路３に負の高電圧が印加されたときには、高電圧の入力はダイオードＤ２を通り、接地面８に短絡されることになる。信号出力線路４へ高電圧が印加されたときには、ダイオードＤ３，Ｄ４により同様に作用する。このように、信号線路３、４に高電圧が印加されたときには、保護回路６、７により対地抵抗が下がり微小電気機械素子２の静電破壊が防止される。応答周波数を十分に高く設計すれば、ＲＦ信号に混じって入力されるサージ電圧にも対応することができる。また、ＤＣバイアス給電回路を通して梁に高パルス電圧が印加されたときには、この高パルス電圧は直流安定化回路の容量を通して短絡され、微小電気機械素子の静電破壊を防止することができる。

図２に、本発明に係る微小電気機械デバイスの第２実施の形態の概念図を示す。本実施の形態に係る微小電気機械デバイス１１は、微小電気機械素子２と、この微小電気機械素子２に接続された信号入力線路３及び信号出力線路４と、グランド線路５（いわゆる接地面８）とを有し、微小電気機械素子２の前段の信号入力線路３及び後段の信号出力線路４に直列にコンデンサ１２及び１３を挿入して構成される。その他の構成は第１実施の形態で説明したと同様であるので、重複説明を省略する。

第２実施の形態に係る微小電気機械デバイス１１によれば、信号入力線路３または／及び信号出力線路４にパルス的に直流電圧が入力されたとき、コンデンサ１２又は／及び１３に電荷が蓄積されることにより、ピーク電圧波形が緩やかになり、パルス的な直流（サージ）入力によるショックが緩和され、微小電気機械素子２を静電破壊から保護することができる。また、該デバイス１１によれば、直流電流はコンデンサ１２、１３により遮断され、信号線路からの不要な直流信号による微小電気機械素子２の静電破壊から保護することができる。

図３に、本発明に係る微小電気機械デバイスの第３実施の形態の概念図を示す。本実施の形態に係る微小電気機械デバイス２１は、微小電気機械素子２と、この微小電気機械素子２に接続された信号入力線路３及び信号出力線路４と、グランド線路５（いわゆる接地面８）とを有し、この微小電気機械素子２の前段の信号入力線路３及び後段の信号出力線路４と、グランド線路５（いわゆる接地面８）との間にスイッチ２２及び２３を接続されて構成される。その他の構成は第１実施の形態で説明したと同様であるので、重複説明を省略する。

図１３は、図３の一具体的な概略構成図を示す。本例は、微小電気機械振動子２を２次振動モード型を用いた場合である。本例の微小電気機械デバイス１０１は、基板上に図１５の２次振動モードの微小電気機械振動子２０１が形成され、その入力電極２０５に信号入力線路３が接続され、その出力電極２０６に信号出力線路４が接続され、信号入出力線路３、４とグランド線路に接続された接地面８との間にそれぞれスイッチ２２、２３が接続されて成る。微小電気機械振動子２０１と信号線路３、４を囲むように接地面８が形成される。さらに、梁２０８と直流電源供給回路（ＤＣ入力）との間に、ローパスフィルタ回路１０２の一端が接地面８に接続された容量１０３で構成された直流電圧安定化回路１０４を接続して構成される。この直流電圧安定化回路１０４が実質的な静電破壊防止手段として機能する。

図１４は、図３の他の具体的な概略構成図を示す。本例は、微小電気機械振動子２を１次振動モード型を用いた場合である。本例の微小電気機械デバイス１０６は、基板上に図１６の１次振動モードの微小電気機械振動子２０２が形成され、その梁２２２に信号入力線路３が接続され、その下部電極である出力電極２２１に信号出力線路４が接続され、信号入出力線路３、４とグランド線路に接続された接地面８との間にそれぞれスイッチ２２、２３が接続されて成る。微小電気機械振動子２０２と信号線路３、４を囲むように接地面８が形成される。さらに、梁２２２と直流電源供給回路（ＤＣ入力）との間に、ローパスフィルタ回路１０２の一端が接地面８に接続された容量１０３で構成された直流電圧安定化回路１０４を接続して構成される。この直流電圧安定化回路１０４が実質的な静電破壊防止手段として機能する。なお、図１４では下電極を出力とし、DCバイアスが印加される梁２２２を入力としたが、逆に下部電極を入力とし、梁２２２を出力として、梁２２２と直流電源供給回路（ＤＣ入力）との間に、ローパスフィルタ回路１０２の一端が接地面８に接続された容量１０３で構成された直流電圧安定化回路１０４を接続した構成とすることもできる。

第３実施の形態の微小電気機械デバイス２１によれば、デバイス組み立て時、微小電気機械デバイスの保存中、出荷するときは、スイッチ２２及び２３を閉じた状態にする。スイッチ２２及び２３により、微小電気機械素子２の前段及び後段の信号線路３及び４と、グランド線路５とがシャントされるので、信号線路３、４とグランド線路５間に高電圧が印加されたとき、高電圧はスイッチ２２または／及びスイッチ２３を通してグランド線路に短絡される。従って、微小電気機械デバイス２１の静電破壊を防止することができる。使用時には、スイッチ２２及び２３を開状態にすることにより、微小電気機械素子２を正常に動作させることができる。

図４に、本発明に係る微小電気機械デバイスの第４実施の形態の概念図を示す。本実施の形態に係る微小電気機械デバイス３１は、微小電気機械素子２と、この微小電気機械素子２に接続された信号入力線路３及び信号出力線路４と、グランド線路５（いわゆる接地面８）とを有し、微小電気機械素子２の前段の信号入力線路３とグランド線路５との間に前述と同様のダイオードＤ１，Ｄ２からなる保護回路６を接続し、後段の信号出力線路４とグランド線路５との間にバッファとして機能する増幅回路３２を接続して構成される。その他の構成は第１実施の形態で説明したと同様であるので、重複説明を省略する。

第４実施の形態の微小電気機械デバイス３１によれば、微小電気機械素子３１の前段の信号入力線路３とグランド線路５との間に２つのダイオードＤ１，Ｄ２からなる保護回路６が接続されているので、前述と同様に信号入力線路に高電圧が印加された時には、ダイオードは低抵抗状態となり、Ｄ１またはＤ２を通して電流が流れ、微小電気機械素子２の静電破壊が防止される。一方、微小電気機械素子２の後段の信号出力線路４とグランド線路５間には、バッファとして機能する増幅回路３２が接続されているので、信号出力線路側から高電圧が印加された時には、増幅回路３２を通じ緩やかにクランド線路５へ電流が流れ微小電気機械素子２の静電破壊が防止される。すなわち、増幅回路３２は出力線路側から印加された不要な高電圧パルスを回路の時定数に応じて緩和することにより保護回路として機能する。

図５に、本発明に係る微小電気機械デバイスの第５実施の形態の概念図を示す。本実施の形態に係る微小電気機械デバイス３３は、微小電気機械素子２と、この微小電気機械素子２に接続された信号入力線路３及び信号出力線路４と、グランド線路５（いわゆる接地面８）とを有し、微小電気機械素子２の前段の信号入力線路３に前述と同様のコンデンサ１２を接続し、微小電気機械素子２の後段の信号出力線路４とグランド線路５との間に前述と同様のバッファとして機能する増幅回路３２を接続して構成される。その他の構成は第１実施の形態で説明したと同様であるので、重複説明を省略する。

第５実施の形態の微小電気機械デバイス３３によれば、信号入力線路３にパルス的に直流の高電圧が印加された時には、コンデンサ１２により高電圧パルス（サージ）のショックが緩和され、微小電気機械素子２の静電破壊が防止される。また、信号出力線路４に強電圧が印加された時には、高電圧は増幅回路３２を通してグランド線路５に短絡され、微小電気機械素子２の静電破壊が防止される。該デバイス３３によれば、直流電流はコンデンサ１２により遮断され、入力信号線路からの不要な直流信号による微小電気機械素子２の静電破壊から保護することができる。

図６に、本発明に係る微小電気機械デバイスの第６実施の形態の概念図を示す。本実施の形態に係る微小電気機械デバイス３４は、微小電気機械素子２と、この微小電気機械素子２に接続された信号入力線路３及び信号出力線路４と、グランド線路５（いわゆる接地面８）とを有し、微小電気機械素子２の前後段の信号線路３、４とグランド線路５との間に前述の図３と同様のスイッチ２２及び２３を接続すると共に、後段の信号線路４とグランド線路５間にバッファとして機能する増幅回路３２を接続して構成される。その他の構成は第１実施の形態で説明したと同様であるので、重複説明を省略する。

第６実施の形態の微小電気機械デバイス３４によれば、微小電気機械素子２の前後段の信号線路３、４とグランド線路５間にスイッチ２２及び２３を有し、さらに後段の信号線路４に増幅回路３２を有することにより、図３及び図４で説明したと同様に、信号線路３、４に高い電圧が印加されても微小電気機械素子２の静電破壊を防止することができる。また、スイッチ２３は増幅回路３２を静電破壊から保護する用を成すことができる。

図７に、本発明に係る微小電気機械デバイスの第７実施の形態の概念図を示す。本実施の形態に係る微小電気機械デバイス３５は、微小電気機械素子２と、この微小電気機械素子２に接続された信号入力線路３及び信号出力線路４と、グランド線路５（いわゆる接地面８）とを有し、図４と同様に微小電気機械素子２の前段の信号入力線路３とグランド線路５との間にダイオードＤ１，Ｄ２からなる保護回路６を接続し、後段の信号出力線路４とグランド線路５との間にバッファとして機能する増幅回路３２を接続し、さらに増幅回路３２と微小電気機械素子２間の信号出力線路４に前述と同様のコンデンサ１３を接続して構成される。その他の構成は第１実施の形態で説明したと同様であるので、重複説明を省略する。

第７実施の形態の微小電気機械デバイス３５によれば、微小電気機械素子２の前段の信号線路３にダイオードＤ１，Ｄ２からなる保護回路６を有し、後段の信号線路４にコンデンサ１３と増幅回路３２を有することにより、図１、図２及び図４で説明したと同様に、信号線路３、４に高い電圧が印加されても微小電気機械素子２の静電破壊を防止することができる。また、コンデンサ１３は、回路３２と微小電気機械素子２との間に直流電流が流れることを防ぐことにより、回路と微小電気機械素子を其々の相手からの不要直流電圧印加による被害から保護する。微小電気機械素子２として図１６の１次モード振動子を用いるときには、特に有用である。

図８に、本発明に係る微小電気機械デバイスの第８実施の形態の概念図を示す。本実施の形態に係る微小電気機械デバイス３６は、微小電気機械素子２と、この微小電気機械素子２に接続された信号入力線路３及び信号出力線路４と、グランド線路５（いわゆる接地面８）とを有し、微小電気機械素子２の前後段の信号線路３、４にそれぞれコンデンサ１２、１３を接続すると共に、後段の信号線路４とグランド線路５間にバッファとして機能する増幅回路３２を接続して構成される。その他の構成は第１実施の形態で説明したと同様であるので、重複説明を省略する。

第８実施の形態の微小電気機械デバイス３６によれば、微小電気機械素子２の前段の信号線路３にコンデンサ１２を有し、後段の信号線路４にコンデンサ１３と増幅回路３２を有することにより、図２及び図４で説明したと同様に、信号線路３、４に高い直流電圧が印加されても微小電気機械素子２の静電破壊を防止することができる。また、コンデンサ１３は、回路３２と微小電気機械素子２との間に直流電流が流れることを防ぐことにより、回路と微小電気機械素子を其々の相手からの不要直流電圧印加による被害から保護する。また、同様にコンデンサ１２は、微小電気機械素子２の前段のデバイスへの微小電気機械素子２からの不要直流電圧印加を遮断することができる。コンデンサ１２、１３のこの機能は、微小電気機械素子２として図１６の１次モード振動子を用いるときに特に有用である。

図９に、本発明に係る微小電気機械デバイスの第９実施の形態の概念図を示す。本実施の形態に係る微小電気機械デバイス３７は、微小電気機械素子２と、この微小電気機械素子２に接続された信号入力線路３及び信号出力線路４と、グランド線路５（いわゆる接地面８）とを有し、微小電気機械素子２の前後段の信号線路３、４とグランド線路５との間にそれぞれスイッチ２２及び２３を接続し、さらに後段の信号線路４にコンデンサ１３を接続すると共に、コンデンサ１３の後段の信号線路４及びグランド線路５間にバッファとして機能する増幅回路３２を接続して構成される。

本実施の形態の微小電気機械デバイス３７によれば、微小電気機械素子２の前段の信号線路３にスイッチ２２を有し、後段の信号線路４にスイッチ２３と増幅回路３２とコンデンサ１３とを有することにより、図２、図３及び図４で説明したと同様に、信号線路３、４に高い電圧が印加されても微小電気機械素子２の静電破壊を防止することができる。また、コンデンサ１３は、回路３２と微小電気機械素子２との間に直流電流が流れることを防ぐことにより、回路と微小電気機械素子を其々の相手からの不要直流電圧印加による被害から保護する。微小電気機械素子２として図１６の１次モード振動子を用いるときには、特に有用である。更にまた、スイッチ２３は増幅回路３２を静電破壊から保護する用を成すことができる。

図１０は、図３、図６、図９、図１３、図１４に示すシャントスイッチとなるスイッチ２２、２３の一例を示す。このスイッチ２２、２３は、加熱断線型スイッチ（いわゆるヒューズ）として構成される。すなわち、基板４１上に微小電気機械素子２（図示しない）に接続された信号線路（例えばＲＦ信号線）３、４と接地面８が形成され、この信号線路３、４と接地面８のそれぞれに一部から一体に延長する延長部４２、４３の先端部４２ａ、４３ａが連結するように連続して形成され、さらに加熱給電配線４４の先端部４５が、上記両延長部４２、４３の連結した先端部４２ａ、４３ａに連結するように連続して形成され、ここにスイッチ２２、２３が構成される。加熱給電配線４４の先端部４５、信号線路３、４及び接地面８から延長する延長部４２、４３の先端部４２ａ、４３ａは、それぞれ連結する先端に向って幅が狭くなるように細線状に形成される。この図１０の信号配線パターンはＣＭＯＳメタル配線工程により形成することができる。

この加熱断線型のスイッチ２２、２３は、デバイス組み立て工程、微小電気機械デバイスとしての保存、出荷及び搬送中において各先端部４２ａ、４３ａ、４５が連結されているので、閉状態に保たれる。すなわち、信号線路３、４は接地面８に接続された状態にある。そして、使用時には、接地面８と信号線路３、４との何れか、あるいは両方を対地側にし（すなわち接地し）、加熱給電配線４４に微小電気機械素子２のプルイン電圧より十分低いＤＣ電圧を印加し、連結されている先端部４２ａ、４３ａの連結されている細線部分をジュール熱で切断し、信号線路３、４と接地面８とを電気的に分離する。

スイッチ２２、２３を加熱断線型スイッチとして構成する他の例としては、図１０において、加熱給電配線４４を省略した構成とする。使用時には、接地面８と信号線路３、４との何れか、あるいは両方を接地し、レーザ加熱で連結されている先端の細線部分を切断し、信号線路と接地面とを電気的に分離する。線路、接地面の接地は、スイッチ部分の急速加熱に起因する帯電現象から微小電気機械デバイスを保護する用を成す。

図１１に、本発明に係る微小電気機械デバイスの第１０実施の形態を示す。図１１Ｂは、図１１Ａの破壊保護用の微小電気機械共振器の要部の拡大図である。本実施の形態に係る微小電気機械デバイス５１は、前述の微小電気機械素子２からなる帯域通過フィルタ本体（本例では高周波フィルタ）５２を含み、フィルタ本体５２の前段に信号入力線路が、その後段に信号出力線路がそれぞれ接続され、フィルタ本体５２の前段の信号入力線路５３にフィルタ本体５２の透過帯域とは異なる共振周波数を有する微小電気機械共振器、すなわち複数の微小電気機械振動子６４からなる犠牲微小振動子群５５を接続し、この犠牲微小振動子群５５を用いて信号入力線路５３を接地面６０に後述するように適当な抵抗を介して接続して構成される。犠牲微小振動子群５５は、いわゆる保護回路として機能する。

犠牲微小振動子群５５は、各入力電極５６及び出力電極５７を下部電極として、この下部電極に対向する梁５８を有する微小電気機械振動子６４を複数配列して形成される。各微小電気機械振動子６４はその梁５８を直列に接続されるように並列配置され、各微小電気機械振動子６４の入力電極５６を信号入力線路５３に接続し、その出力電極５７を接地面６０に接続して構成される。図１１Ｂに示すように、信号入力線路５３と各微小電気機械振動子６４の入力電極５６とは適当な抵抗をもつヒューズとなる細線部分５６ａを介して一体に形成され、また各微小電気機械振動子６４の出力電極５７と接地面６０とは適当な抵抗をもつヒューズとなる細線部分５７ａを介して一体に形成される。

フィルタ本体５２を構成する微小電気機械素子２（２０１又は２０２）の梁（２０８又は２２２）と、犠牲微小振動子群５５の梁５８とには、それぞれフィルタ用ＤＣバイアス給電線路６１と、保護回路用ＤＣバイアス給電線路６２をそれぞれ介して同じＤＣバイアス電圧が印加されるようになされる。すなわち、ＤＣバイアス給電は、不整合インピーダンス（抵抗Ｒ）を通して行う。

上記犠牲微小振動子群５５は、その低周波側に近接した微小電気機械振動子６４の梁５８の長さを、フィルタ本体５２を構成する微小電気機械振動子２（２０１又は２０２）の梁（２０８又は２２２）の長さより長く形成し、プルイン電圧を低くしてフィルタ本体５２と同じＤＣバイアス電圧で駆動することにより、より低いＲＦ入力で破壊されるように構成される。

第１０実施の形態の微小電気機械デバイスによれば、保護回路を構成する犠牲微小振動子群５５がヒューズとなる細線部分５６ａ、５７ａを介して信号入力線路５３及び接地面６０に接続された状態にある。犠牲微小振動子群５５の微小電気機械振動子６４は、そのプルイン電圧がフィルタ本体５２の微小電気機械振動子２（２０１又は２０２）のプルイン電圧（膠接電圧）より低いため、強ＲＦ信号が入力すると、犠牲微小電気機械振動子群５５において最初に膠着起き、フィルタ本体５２の破壊（フィルタ本体が膠着すること）を防ぐことができる。すなわち、信号入力線路５３に強入力パルスが入力された時には、犠牲微小振動子群５５の微小電気機械振動子６４が先に破壊され、フィルタ本体５２の破壊が阻止される。下部電極５６、５７と梁５８の膠着が起きた場合は、強入力パルスは梁５８を通じて接地側に流れ、ヒューズとなる細線部分５６ａ、５７ａの何れか又は両方が発熱で切断され信号回路として復帰する。

ここで、犠牲微小振動子群５５では微小電気機械振動子６４が梁５８を直列接続するように配置されている。このため、梁５８にかかるＤＣバイアス電圧は、ＤＣバイアス給電線路６２から遠い位置にある梁５８ほど電圧降下でＤＣバイアス電圧が下がる。また、梁作製工程で寸法のばらつきが生ずるため、犠牲微小振動子のすべてが同一のプルイン電圧を持つ訳ではない。従って、微小電気機械振動子６４の破壊は、プルインが起きやすい微小電気機械振動子６４から起こる。このため、保護回路としての機能は微小電気機械振動子６４の数だけ得られる。

図１２に、図５に示した微小電気機械振動子２の信号入力線路側に保護用のコンデンサ１２を接続し、その信号出力線路側にバッファとして機能する増幅器３２を接続してなる微小電気機械デバイス、いわゆる半導体装置の具体例の断面構造を示す。本実施の形態の微小電気機械デバイス７１は、シリコン半導体基板７２の一主面に選択酸化（ＬＯＣＳ）によるフィールド絶縁層７３が形成され、フィールド絶縁層７３で区画された領域にバッファとして機能するＭＯＳトランジスタからなる増幅器７４、その他の回路素子が形成される。半導体基板７２上に酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜による層間絶縁膜７６が形成され、層間絶縁膜７６上の一部に窒化シリコンン（ＳｉＮ）膜７７が形成され、この窒化シリコン膜７７上に入力電極２０５、出力電極２０６、梁２０８、配線層２０９による微小電気機械素子２０１が形成される。さらに、層間絶縁膜７８、７９を介して保護用のコンデンサ１２が形成される。このコンデンサ１２は、信号入力線路を兼ねる下部電極８１と誘電体膜８２と信号入力線路を兼ねる上部電極８３とから形成される。増幅器７４、微小電気機械素子２０１の梁２０８に繋がる配線層２０９は、それぞれ層間絶縁膜を貫通する導体層８４を介して上部配線８５に接続される。最上層は絶縁保護膜８６が形成される。なお、図面では現れないが、コンデンサ１２の下部電極８１が微小電気機械素子２０１の入力電極２０５に接続され、微小電気機械素子２０１の出力電極２０６が信号出力線に接続される。

この微小電気機械デバイス７１におけるコンデンサ１２の集積化は、ＣＭＯＳ工程に準ずる工程を用いて形成できる。コンデンサ１２の電極８１、８３には白金（Ｐｔ）を用い、誘電体膜８２には（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3 を用い、Ｐｔ／（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3 ／Ｐｔの複合膜を形成し、この場合パターンは十分に大きく、精度も必要ないので、リフトオフ工程を用いてコンデンサ１２を形成することができる。Ｐｔの成膜はスパッタリング法、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3 薄膜はＣＶＤ法、あるいはスパッタリング法で形成することができる。

微小電気機械振動子２０１の部分と増幅器７４の部分の集積化は、通常のＣＭＯＳデバイスの標準的な工程にＭＥＭＳ作製工程を付け加えることにより、例えば、（１）下部ＣＭＯＳトランジスタ、局部配線の形成、（２）層間絶縁膜の形成、（３）ビアの形成（すなわち、ビアホール及び導電プラグの形成）、（４）平坦化、ＣＭＯＳ部分の保護膜の形成、（５）微小電気機械振動子部分の形成、（６）デバイス全体の配線、パッシブ素子の形成、パッド部分の形成、（７）微小電気機械振動子部分のエッチングによる掘り出し、フッ化水素溶液（ＤＨＦ：Diluted HF）を用いた犠牲層の除去の工程を経て、形成することができる。

微小電気機械振動子部分は、例えば以下の方法に準じて形成することができる。
シリコンウェハー上に酸化シリコン薄膜（ＨＤＰ膜：High Density Plasma酸化膜）と窒化シリコン膜との複合膜を成膜し、続けて導電性のある多結晶シリコン薄膜（ＰＤＡＳ：Phosphorus doped amorphous silicon）を成膜する。下部電極、配線層となる梁を固定する台を成す形状のレジストマスクを形成し、ドライエッチング法によりＰＤＡＳ膜の不要部分を取り除き、ＰＤＡＳ膜で作られた下部電極、梁の固定台（配線層）を作製する。更に微小電気機械振動子を形成する領域の境界、いわゆる台座境界を形成するためのレジストマスクを形成し、ドライエッチング法により窒化シリコン膜（酸化シリコン薄膜（ＨＤＰ薄膜膜）との複合膜の一部）の不要部分を取り除き、ＨＤＰ膜に達する溝を形成する。形成された下部電極、溝などを酸化シリコン薄膜（ＨＤＰ）で埋め戻し、化学機械研磨法（ＣＭＰ）により平坦化し、下部電極、固定台（配線層）などをＨＤＰ薄膜表面に露出させる。平坦化した薄膜上に下部電極と梁の間隔に応じた犠牲層、多結晶５０ｎｍの厚さの酸化シリコン薄膜（ＬＰ−ＴＥＯＳ）を形成する。ＬＰ−ＴＥＯＳ膜に梁と固定台（配線層）とを繋ぐ貫通孔をドライエッチング法により形成する。次に、ＰＤＡＳ膜を所望の厚さになるまで成膜し、梁の形状をドライエッチング法により形成する。犠牲層を選択的に除去して下部電極と梁間に空間を形成して微小電気機械振動子を作製する。

上述の実施の形態の微小電気機械デバイスは、微小電気機械素子２を用いて信号フィルタ、ミキサー、共振器、及びそれらが含まれるＳｏＣデバイスモジュール、ＳｉＰデバイスモジュール等の半導体デバイスとして構成される。

上述した本発明の実施の形態の構成を用いることにより、保存、出荷・搬送中には微小電気機械振動子部分に不要な電界が印加されることがないので、微小電気機械デバイスの荷電現象に起因する特性の保存劣化が進まない。
上述した本発明の実施の形態の構成を用いることにより、静電駆動型の微小電気機械振動子を含んで集積化されたデバイス（いわゆる微小電気機械デバイス）の組み立て工程での静電気的な破損を最小限に抑制することができる。
上述した本発明の実施の形態の構成を用いることにより、実動作時の落雷、あるいは集合アンテナ近傍の強電界などによる強信号からの微小電気機械デバイスを保護することができる。

不要なデバイス破損を最小限に食い止めることは、商品の低価格化あるいは利益確保、省資源化の実現に繋がる。商品の信頼性を上げることにより、顧客の満足を得ることができ、更には不要な修理に伴うエネルギー、時間、資源の浪費を防ぐことができる。

本発明に係る微小電気機械デバイスの第１実施の形態を示す概念図である。本発明に係る微小電気機械デバイスの第２実施の形態を示す概念図である。本発明に係る微小電気機械デバイスの第３実施の形態を示す概念図である。本発明に係る微小電気機械デバイスの第４実施の形態を示す概念図である。本発明に係る微小電気機械デバイスの第５実施の形態を示す概念図である。本発明に係る微小電気機械デバイスの第６実施の形態を示す概念図である。本発明に係る微小電気機械デバイスの第７実施の形態を示す概念図である。本発明に係る微小電気機械デバイスの第８実施の形態を示す概念図である。本発明に係る微小電気機械デバイスの第９実施の形態を示す概念図である。本発明に係る保護用のスイッチの一例を示す要部の平面図である。Ａ，Ｂ本発明に係る微小電気機械デバイスの第１０実施の形態を示す概念図である。図５の第５実施の形態の微小電気機械デバイスの一具体例を示す要部の断面図である。図３の第３実施の形態の微小電気機械デバイスの一具体例を示す平面図である。図３の第３実施の形態の微小電気機械デバイスの他の具体例を示す平面図である。本発明に係る微小電気機械素子の一実施の形態を示す断面図である。本発明に係る微小電気機械素子の他の実施の形態を示す断面図である。

符号の説明

１、１１、２１、３１、３３、３４、３５、３６、３７、５１、１０１、１０６・・微小電気機械デバイス、２・・静電駆動型の微小電気機械素子、３・・信号入力線路、４・・信号出力線路、５・・グランド線路、６、７・・ダイオードによる保護回路、Ｄ１、Ｄ２・・ダイオード、８・・接地面、１２、１３・・保護用のコンデンサ、２２、２３・・保護用のスイッチ、３２・・バッファとして機能する増幅器、４４・・加熱給電配線、５２・・フィルタ本体、５３・・信号入力線路、５４・・信号出力線路、５５・・微小電気機械素子群、５６・・入力電極、５７・・出力電極、５８・・梁、６０・・接地面、５６ａ，５７ａ・・細線部分、８１、８３・・電極、８２・・誘電体膜、７４・・増幅器、１０２・・ローパスフィルタ回路、１０３・・容量、１０４・・直流電圧安定化回路、２０１、２０２・・静電駆動型の微小電気機械素子、２０３・・半導体基板、２０４、２１２・・絶縁膜、２０５・・入力電極、２０６・・出力電極、２０８・・梁、２１３・導電層、２２１・・出力電極、２２２・・梁

Claims

静電駆動型の微小電気機械素子の前後段に静電破壊を阻止する保護手段が接続されて成る
ことを特徴とする微小電気機械デバイス。
静電駆動型の微小電気機械素子の前後段に静電破壊を阻止する保護回路が接続されて成る
ことを特徴とする微小電気機械デバイス。
静電駆動型の微小電気機械素子の前段に静電破壊を阻止する保護回路が接続され、
前記微小電気機械素子の後段にバッファとして機能する増幅回路が接続されて成る
ことを特徴とする微小電気機械デバイス。
静電駆動型の微小電気機械素子を含み、信号線路が接地された状態で出荷されるように構成されている
ことを特徴とする微小電気機械デバイス。
静電駆動型の微小電気機械素子を含み、信号入力端子と前記微小電気機械素子の間にコンデンサが直列に接続されて成る
ことを特徴とする微小電気機械デバイス。
静電破壊阻止用の保護回路、静電破壊阻止用の保護用コンデンサ、静電破壊阻止用の保護用スイッチ、微小電気機械素子の後段に接続されるバッファとして機能する増幅回路から選ばれた１つまたは複数を含む静電破壊を阻止する保護手段が、静電駆動型の微小電気機械素子の前後段に接続されて成る
ことを特徴とする微小電気機械デバイス。
前記微小電気機械素子がフィルタである
ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の微小電気機械デバイス。
静電駆動型の微小電気機械素子からなるフィルタを含み、
前記フィルタの前段の信号線路にフィルタの透過帯域とは異なる共振周波数を有する微小電気機械共振器が接続され、
前記微小電気機械共振器を介して信号線路が接地面に接続されて成る
ことを特徴とする微小電気機械デバイス。