JP2007157714A - Ｍｅｍｓスイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ＭＥＭＳスイッチに関する。
【解決手段】ＭＥＭＳスイッチは、基板と、基板上に形成された固定電極と、固定電極の両側に形成された一対の信号ラインと、信号ラインと所定間隔をおいて形成される接触部材と、信号ラインのエッジ部と接するように接触部材を可動自在に支持する保持部材と、保持部材上に設けられた可動電極とを含んで構成される。
【選択図】図６

Description

本発明は、静電力を用いるＭＥＭＳスイッチおよびその製造方法に関する。

高周波帯域で使用される数多い電子システムは、超小型化、超軽量化、高性能化が進んでいる。今までこのようなシステムにて信号を制御するために用いられているＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やピンダイオード（ＰＩＮ Ｄｉｏｄｅ）のような半導体スイッチと代替するために、マイクロマシニング（Ｍｉｃｒｏ Ｍａｃｈｉｎｇ）という新たな技術を用いた超小型マイクロスイッチが幅広く研究されている。

ＭＥＭＳ技術を用いたＲＦ素子のうち現在最も広く製造されているのがＲＦスイッチである。ＲＦスイッチは、マイクロ波やミリミター波帯域の無線通信端末およびシステムにおいて、信号の選別伝送やインピーダンス整合回路などにもっとも多く応用されている素子である。
係る従来のＭＥＭＳスイッチは、固定電極にＤＣ電圧が印加されると、固定電極および可動電極との間で帯電が起こり、従って、静電引力により可動電極が基板側に引っ張られることになる。可動電極が引っ張られることにより、可動電極に備えられた接触部材が基板上に備えられた信号ラインに接触されてスイッチングオンあるいはオフ動作を行なう。

前述したようなＭＥＭＳスイッチに関する例が、特許文献２に開示されている。図１は、従来に係るＭＥＭＳスイッチの構成を示す図面であって、特許文献２に開示されたＭＥＭＳスイッチのオフ状態を示すものである。図２は、図１のＭＥＭＳスイッチのオン状態を示すものである。
図１および図２に示すように、従来のＭＥＭＳスイッチは、空洞部３０が形成された基板２８、空洞部３０の少なくとも一部分に形成された固定電極３８、固定電極３８と所定の間隔をおいて形成され、固定電極３８の所定電圧が印加されることにより固定電極３８に向って変形されるメンブレイン３４、および絶縁層３２，４０から構成される。メンブレイン３４は、その周りに曲げ構造体３６が備えられて弾力的に保持される。

図面にて、符号４４はＲＦ入力端を示し、符号４２はＤＣバイアスを示し、符号４６は固定キャパシタンスを示し、符号４８はＲＦ出力端を示している。
図３は、従来の技術に係る他のＭＥＭＳスイッチの構成を示す図面であって、特許文献１に開示されたＭＥＭＳスイッチの構成を示す平面図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ’線に沿った断面図であって、スイッチオフ状態を示す図面である。図５は、図３のＩＶ―ＩＶ’線に沿った断面図であって、スイッチオン状態を示す図面である。
図３ないし図５に示すように、従来のＭＥＭＳスイッチ４０は、基板４４上にＲＦ伝導体４２が蒸着される。

基板４４の上部には、中央剛性体４８を有するブリッジ構造体４６が備えられる。中央剛性体４８は、保持部材５２にそれぞれ連結されたスプリングアーム５０によって垂直に移動する。
中央剛性体４８の中央およびエッジ部には、セグメント５４，５５，５６が形成される。ブリッジ構造体４６には、中央剛性体４８の下面に一部が延長され、電極部６０、６１をそれぞれ形成するスプリングアーム５０が形成される。これに加えて、セグメント５６には、ＭＥＭＳスイッチ４０が動作するときＲＦ伝導体４２，４３の間を電気的に接続する接触部材６４が設けられる。

電極部６０，６１は、保持部材５２により保持される。
基板４４上には、電極部６０，６１と対応する電極７０，７１が形成される。また、電極７０，７１の両側には中央剛性体４８の下降動作を制限するストッパー７４，７５が備えられる。
米国公開特許２００３−０２２７３６１号公報 米国特許６，１００，４７７号公報 韓国公開特許２００５−０７６１４９号公報 韓国公開特許２００１−０３８２１４号公報

しかし、前述した従来のＭＥＭＳスイッチは、メンブレイン３４、接触部材６４の全面が接している状態を有するため接触不良といった問題が起こりやすく、よって信頼性が低下する不都合がある。
さらに、スイッチング動作される部分が、復元力が周りに比べて割合小さいメンブレイン３４の中央部および中央剛性体４８の中央部であり、接触不良が発生する問題がある。

一方、前述したとおりに、ＭＥＭＳスイッチは、低電圧駆動のためにメンブレイン３４あるいは中央剛性体４８を下向き調整する場合、復元力の減少を招いて接触不良による安定性の悪化が問題になる。
本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的は、第１に、接触不良が減少されるにつれてスイッチの安定性が図れるＭＥＭＳスイッチを提供することである。

前記課題を解決するために、本発明１は、下記の構成要素を含むＭＥＭＳスイッチを提供する。
・基板と、
・前記基板上に形成された固定電極と、
・前記固定電極の両側に形成された一対の信号ラインと、
・前記信号ラインから所定間隔をおいて形成される接触部材と、
・前記接触部材が前記信号ラインのエッジ部と接するように前記接触部材を可動自在に支持する保持部材と、
・前記保持部材上に設けられた可動電極。

接触部材において信号ラインと接触する部分が、接触部材の中央部よりも外側部分であることから、接触部分の復元力が高まる。また接触部材の中央部分より外側の側面部分が信号ラインに押しつけられることによって接触部材と信号ラインが接触し、より確実に接触部材を信号ラインに接触させることができる。よって、本発明は、接触不良が減少する利点を有する。

本発明２は、前記発明１において、前記接触部材の一部が、前記一対の信号ラインのそれぞれの一部と重畳するように形成されているＭＥＭＳスイッチを提供する。
本発明３は、前記発明１において、前記接触部材と前記一対の信号ラインとの間隔は、前記接触部材と前記固定電極との間隔とに比べて狭く形成されているＭＥＭＳスイッチを提供する。

本発明４は、前記発明２において、前記保持部材は下記の構成要素を有するＭＥＭＳスイッチを提供する。
・前記保持部材の両端部分であって、前記信号ライン上に接触する一対のアンカー部と、
・前記一対のアンカー部の間に位置する前記保持部材の一部分であって、前記接触部材を前記信号ラインから所定の間隔を保って弾力的に保持するスプリングアーム。

接触部材において、中央部分ではなくスプリングアームによる保持部分により近い部分が信号ラインと接触するので、接触部材のスイッチング動作が小さくてすむ。よって、より低電圧で接触部材を信号ラインに接触させることができる。
本発明５は、前記発明４において、前記保持部材は、絶縁材を用いて形成されているＭＥＭＳスイッチを提供する。

本発明６は、前記発明５において、前記絶縁材は、シリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）、またはポリマー（ｐｏｌｙｍｅｒ）であるＭＥＭＳスイッチを提供する。
本発明７は、前記発明１において、前記可動電極は、前記接触部材の長手方向と交差する方向に延びる補助電極を有するＭＥＭＳスイッチを提供する。

本発明８は、前記発明７において、前記保持部材は、前記補助電極を支持する補助保持部を有するＭＥＭＳスイッチを提供する。
本発明９は、前記発明１において、前記固定電極は、アルミニウム（Ａｌ）又は金（Ａｕ）を用いて形成されているＭＥＭＳスイッチを提供する。
本発明１０は、前記発明１において、前記信号ラインは、金（Ａｕ）を用いて形成されているＭＥＭＳスイッチを提供する。

本発明１１は、前記発明１において、前記可動電極は、アルミニウム（Ａｌ）又は金（Ａｕ）を用いて形成されるＭＥＭＳスイッチを提供する。

本発明に係るＭＥＭＳスイッチは、低電圧駆動が可能であり、且つ接触部材が信号ラインのエッジ部に接することにより接触圧力が増加する利点がある。

以下、添付の図面に基づいて本発明の好適な実施形態を詳述する。

以下、添付の図面に参考して本発明に係る好適な実施形態の詳説を行なう。
図６は、本発明の一実施の形態に係るＭＥＭＳスイッチの構成を示す斜視図であって、スイッチオフ状態を示す図面である。図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ’に沿った断面図である。
図６および図７に示すように、ＭＥＭＳスイッチ１００では、基板１０１上に固定電極１０３および信号ライン１０５ａ、１０５ｂが蒸着される。固定電極１０３は、基板１０１の中央部で形成され、信号ライン１０５ａ、１０５ｂは、固定電極１０３を挟んで両側にそれぞれ形成される。ここで、信号ライン１０５ａ、１０５ｂの厚さが固定電極１０３の厚さより厚く蒸着され、信号ライン１０５ａ、１０５ｂの厚さと固定電極１０３の厚さが所定のギャップ（Ｇ１）をなすように蒸着される。ここで、固定電極１０３は、アルミニウム（Ａｌ）又は金（Ａｕ）のような導電性材質を用いて形成され、信号ライン１０５ａ、１０５ｂは導電性材質で、例えば、金（Ａｕ）を用いて形成されることができる。

固定電極１０３および固定電極１０３を挟んで位置する各信号ライン１０５ａ、１０５ｂの一部には接触部材１０７が設けられる。なお、接触部材１０７は、保持部材１０９を介して信号ライン１０５ａ、１０５ｂから所定のギャップ（Ｇ２）をおいて設けられる。ここで、信号ライン１０５ａ、１０５ｂと接触部材１０７とのギャップ（Ｇ２）は、固定電極１０３と接触部材１０７との間隔に比べて狭い。このように形成することによって、接触部材１０７は、信号ライン１０５ａ、１０５ｂのエッジ部（Ｅ１，Ｅ２）に接触する。従って、接触部材１０７の中央部分より外側の側面部分が信号ライン１０５ａ、１０５ｂに押しつけられることによって、接触部材と信号ラインとが確実に接触するようになり、接触不良の問題を解消することができる。 保持部材１０９は、アンカー部１０９ａ、１０９ｂとアンカー部１０９ａ、１０９ｂとを有する。アンカー部１０９ａ、１０９ｂは、保持部材１０９の両端部分に形成され、信号ライン１０５ａ、１０５ｂの上面に接触する。スプリングアーム１０９ｃは、保持部材１０９においてアンカー部１０９ａ、１０９ｂの間に位置する。スプリングアーム１０９ｃは、接触部材１０７を信号ライン１０５ａ、１０５ｂから所定のギャップ（Ｇ２）を保って弾力的に保持する。ここで、保持部材１０９は絶縁材で形成され、例えば、シリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）、ポリマー（ｐｏｌｙｍｅｒ）などから形成され得る。従って、保持部材１０９は、接触部材１０７を保持するアンカーの役割を行なうと同時に、後述する可動電極１１１および固定電極１０３との間を絶縁する役割を行なう。係る構造の場合、アンカーおよび絶縁層をそれぞれ別に構成することで、その構造が複雑になり工程数が増加することを解消できる。

保持部材１０９上には、可動電極１１１が蒸着される。このとき、可動電極１１１は、接触部材１０７の長手方向と交差する方向に補助電極１１１ａ、１１１ｂを加えて形成されることもできる。図６では、可動電極１１１は、接触部材１０７の長手方向と交差する方向に補助電極１１１ａ、１１１ｂを加えて形成されている。なお、保持部材１０９にも補助電極１１１ａ、１１１ｂを保持する補助保持部１０９ｄ、１０９ｅが加えられて形成することが好ましい。ここで、可動電極１１１は、固定電極１０３と同様にアルミニウム（Ａｌ）又は金（Ａｕ）のような材質から形成することができる。

次に、前述のような本発明に係るＭＥＭＳスイッチの動作について、簡略に説明する。
図８は、本発明に係るＭＥＭＳスイッチのオン状態を示す斜視図である。図９は、図８のＩＸ−ＩＸ’線に沿った断面図である。
図８および図９によると、固定電極１０３に所定の電圧が印加されると、固定電極１０３および可動電極１１１の間に帯電が起こり、静電引力により可動電極１１１は固定電極１０３に向って下降する。

このように可動電極１１１の下向き動作により、保持部材１０９および接触部材１０７も共に下向き移動して、接触部材１０７が信号ライン１０５ａ、１０５ｂのエッジ部（Ｅ１、Ｅ２）に接して信号ライン１０５ａ、１０５ｂを接続する。このように接触部材１０７が信号ライン１０５ａ、１０５ｂのエッジ部（Ｅ１，Ｅ２）に接触されることにより接触力は従来に比べて増大され、接触不良の問題を解消する。

さらに、接触される位置が、可動電極１１１の中央部を離れた位置、即ち、アンカー部１０９ａ、１０９ｂに近接した位置にあることから復元力が増大する。即ち、接触部材１０７は、信号ライン１０５ａ、１０５ｂのエッジ部（Ｅ１，Ｅ２）に接触する。従って、接触部材１０７の中央部分より外側の湾曲部分が信号ライン１０５ａ、１０５ｂに押しつけられることにより、接触部材と信号ラインが接触する。よって、接触力は従来に比べて増大され、接触不良の問題を解消する。また、接触部材１０７において中央部分ではなくスプリングアームによる保持部分により近い部分が信号ライン１０５ａ、１０５ｂのエッジ部（Ｅ１，Ｅ２）と接触する。接触部材１０７のスイッチング動作が小さくてすみ、より低電圧で接触部材を信号ラインに接触させることができる。

さらに、接触部材１０７が信号ライン１０５ａ、１０５ｂのエッジ部（Ｅ１，Ｅ２）に接触して残り物（例えば、後述する犠牲層１０６が完全に除去できず残ったもの）の影響を最小化することで、コンタクト抵抗を減少させることのできる利点をもつ。
前述した構成において、信号ライン１０５ａ、１０５ｂのエッジ部（Ｅ１，Ｅ２）が、信号ライン１０５ａ、１０５ｂの断面形状が直角をなして形成された角部によるものを例に挙げて説明したが、接触性を向上させるための様々な形態で変更適用できる。

次に、前述のＭＥＭＳスイッチ１００の製造過程について詳説する。
図１０Ａないし図１０Ｆは、本発明によるＭＥＭＳスイッチの製造過程を示す工程図である。
図１０Ａに示すように、基板１０１上に固定電極１０３を形成してから信号ライン１０５ａ、１０５ｂを形成する。固定電極１０３および信号ライン１０５ａ、１０５ｂは、導電性材質を用いて形成されることが好ましい。固定電極１０３は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）や金（Ａｕ）のような金属を用いて形成され、信号ライン１０５ａ、１０５ｂは金（Ａｕ）のような導電性材質を用いて形成されることが好ましい。このとき、固定電極１０３および信号ライン１０５ａ、１０５ｂは、一般にスパッタリング（Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）や蒸気蒸着（Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）によって蒸着されることができる。

基板１０１は、例えばシリコン基板が使用され得る。
信号ライン１０５ａ、１０５ｂの厚さが固定電極１０３より厚く形成され、信号ライン１０５ａ、１０５ｂとおよび固定電極１０３とが所定のギャップ（Ｇ１）をなすよう形成する。
図１０Ｂを参照すると、固定電極１０３および信号ライン１０５ａ、１０５ｂの一部に犠牲層１０６を蒸着する。ここで、犠牲層１０６は、例えばフォトレジストが用いられ、このフォトレジストは、例えばスピンコーター（ｓｐｉｎ ｃｏａｔｅｒ）によって塗布される。このように蒸着された犠牲層１０６は、キュアリング（ＣＵＲＩＮＧ）固定が行なわれる。キュアリング工程とは、高温の状態で行なわれる後述の接触部材１０７、保持部材１０９、および可動電極１１１の形成工程において、犠牲層１０６をなしている成分が喪失されるなどの問題を防止するために犠牲層１０６を高温の条件で予熱する工程を指す。

図１０Ｃに示すように、犠牲層１０６の上側に接触部材１０７を形成する。ここで、接触部材１０７は、導電性材質として、例えば、金（Ａｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）などが使用される。ことのき蒸着は、スパッタリングや蒸気蒸着によって行なわれる。接触部材１０７は、固定電極１０３と交差するように固定電極１０３の中央部を横切って、その一部が信号ライン１０５ａ、１５０ｂのそれぞれ一部と重畳される長さを有するべく形成することが好ましい。

図１０Ｄに示すように、接触部材１０７が形成された上側に保持部材１０９を形成する。このとき、保持部材１０９の一端は、信号ライン１０５ａ、１５０ｂと接触されて接触部材１０７を保持するアンカー部１０９ａ、１０９ｂをなし、犠牲層１０６と接した部分はスプリングアーム１０９ｃをなす。ここで、接触部材１０７の長手方向と交差している方向に沿って補助保持部１０９ｄ、１０９ｅを追加形成することが好ましい。なお、図１０Ｄでは、接触部材１０７の長手方向と交差している方向に沿って補助保持部１０９ｄ、１０９ｅを追加形成されている。このとき保持部材１０９は、絶縁性の材質であることが好ましく、例えば、シリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）、シリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）、ポリマー（ｐｏｌｙｍｅｒ）などが使用される。シリコン窒化膜の蒸着はプラズマ化学蒸着（ＰＥ−ＣＶＤ）によるものであり、ポリマー蒸着はスピンコーティングによって行われる。

図１０Ｅを参照すると、固定電極１０３と対応する可動電極１１１を形成する。ここで、可動電極１１１は、固定電極１０３と同様に導電性材質から形成されることが好ましく、接触部材１０７の幅に当たる分だけ形成されることもできるが、補助保持部１０９ｄ、１０９ｅの上側に蒸着された補助電極部１１１ａ、１１１ｂを追加形成することが好ましい。
図１０Ｆを参照すると、犠牲層１０６を取除き、接触部材１０７を信号ライン１０５ａ、１０５ｂの上面から所定のギャップ（Ｇ２）をおいて離隔するよう構成することでＭＥＭＳスイッチ１００を完成する。ここで、犠牲層１０６の除去はアッシュ（ａｓｈｉｎｇ）工程によって行なわれる。

以上、図面に基づいて本発明の好適な実施形態を図示および説明してきたが本発明の保護範囲は、前述の実施形態に限定するものではなく、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物にまで及ぶものである。

従来技術に係るＭＥＭＳスイッチの構成を示す図面であって、米国特許番号６，１００，４７７号に開示されたＭＥＭＳスイッチのオフ状態を示す図面である。 図１のＭＥＭＳスイッチのオン状態を示す図面である。 従来技術に係る他のＭＥＭＳスイッチの構成を示す図面であって、米国特許公開番号ＵＳ２００３/０２２７３６１に開示されたＭＥＭＳスイッチの構成を示す平面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ’線に沿った断面図であって、スイッチオフ状態を示す図面である。 図３のＩＶ−ＩＶ’線に沿った断面図であって、スイッチオン状態を示す図面である。 本発明の一実施の形態に係るＭＥＭＳスイッチの構成を示す斜視図であって、スイッチオフ状態を示す図面である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ’線に沿った断面図である。 本発明の一実施の形態に係るＭＥＭＳスイッチの構成を示す斜視図であって、スイッチオン状態を示す図面である。 図８のＩＸ−ＩＸ’線に沿った断面図である。 本発明に係るＭＥＭＳスイッチの製造過程を示す工程図である。 本発明に係るＭＥＭＳスイッチの製造過程を示す工程図である。 本発明に係るＭＥＭＳスイッチの製造過程を示す工程図である。 本発明に係るＭＥＭＳスイッチの製造過程を示す工程図である。 本発明に係るＭＥＭＳスイッチの製造過程を示す工程図である。 本発明に係るＭＥＭＳスイッチの製造過程を示す工程図である。

符号の説明

１００ ＭＥＭＳスイッチ
１０１ 基板
１０３ 固定電極
１０５ａ、１０５ｂ 信号ライン
１０７ 接触部材
１０９ 保持部材
１０９ａ、１０９ｂ アンカー部
１０９ｃ スプリングアーム
１０９ｄ、１０９ｅ 補助保持部
１１１ 可動電極
１１１ａ、１１１ｂ 補助電極

Claims (11)

1. 基板と、
   前記基板上に形成された固定電極と、
   前記固定電極の両側に形成された一対の信号ラインと、
   前記信号ラインから所定間隔をおいて形成された接触部材と、
   前記接触部材が前記信号ラインのエッジ部と接するように前記接触部材を可動自在に支持する保持部材と、
   前記保持部材上に設けられた可動電極と、
   を含むＭＥＭＳスイッチ。
2. 前記接触部材の一部が、前記一対の信号ラインのそれぞれの一部と重畳するように形成されている、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
3. 前記接触部材と前記一対の信号ラインとの間隔は、前記接触部材と前記固定電極との間隔とに比べて狭く形成されている、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
4. 前記保持部材は、
   前記保持部材の両端部分であって、前記信号ライン上に接触する一対のアンカー部と、
   前記一対のアンカー部の間に位置する前記保持部材の一部分であって、前記接触部材を前記信号ラインから所定の間隔を保って弾力的に保持するスプリングアームと、
   を有する、請求項２に記載のＭＥＭＳスイッチ。
5. 前記保持部材は、絶縁材を用いて形成されている、請求項４に記載のＭＥＭＳスイッチ。
6. 前記絶縁材は、シリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）、シリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）、又はポリマー（ｐｏｌｙｍｅｒ）である、請求項５に記載のＭＥＭＳスイッチ。
7. 前記可動電極は、前記接触部材の長手方向と交差する方向に延びる補助電極を有する、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
8. 前記保持部材は、前記補助電極を支持する補助保持部を有する、請求項７に記載のＭＥＭＳスイッチ。
9. 前記固定電極は、アルミニウム（Ａｌ）又は金（Ａｕ）を用いて形成されている、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
10. 前記信号ラインは、金（Ａｕ）を用いて形成されている、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
11. 前記可動電極は、アルミニウム（Ａｌ）又は金（Ａｕ）を用いて形成される、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。

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