JP2008027812A - Ｍｅｍｓスイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】可動梁と接点電極との間に充分な接触圧力が得られ、かつ、両者間の接触抵抗も小さく抑制できる構造を有するＭＥＭＳスイッチを提供する。
【解決手段】固定部２と、下部電極４上に形成された第１の絶縁層５、及び、第１の絶縁層５上に形成された上部電極６を含み、一方の端部が固定部２により支持及び固定された可動梁３と、可動梁３の他方の端部の底面に対向して、基板１上に形成された固定電極１０と、固定電極１０に対向する領域における下部電極４及び第１の絶縁層５に形成された開口部に、固定電極１０に対向する可動梁３の底面よりも下方に突出して、上部電極６と電気的に接続され且つ下部電極４と絶縁されて形成された接点電極９と、下部電極４と固定電極１０とを絶縁する一方、接点電極９と固定電極１０とが接触し得るように、接点電極９と対向する領域に開口部を有して固定電極１０上に形成された第２の絶縁層１１と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は，高周波回路用スイッチとしても応用が可能なＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical System）スイッチに関する。

半導体プロセスを応用したＭＥＭＳは、広い範囲の応用が嘱望されている。例えば、高周波回路応用の分野においては、ＲＦスイッチとしてのＭＥＭＳの応用が強く望まれている。

高周波回路応用のＭＥＭＳスイッチとしては、直流（ＤＣ）回路から高周波回路まで使用可能であり、２個の接点がオーミック接触して通電するＤＣコンタクト型ＭＥＭＳスイッチと、主として１０ＧＨｚ以上の高周波のみで使用可能であり、２個の接点が薄い誘電膜を介して接触するキャパシティブ型スイッチとに大別される。

民生用の携帯無線機器は、およそ５００ＭＨｚ乃至５ＧＨｚ帯を主として使用しているので、特にＤＣコンタクト型ＭＥＭＳスイッチの利用価値が高い。

従来のＤＣコンタクト型ＭＥＭＳスイッチの駆動機構としては、静電駆動機構が主として使用されてきた。材料や構造が単純でプロセスが容易なためである。

ＭＥＭＳスイッチの典型的な構造としては、誘電膜に被覆されたプルダウン（引下）電極と、オーミック接触用の接点電極とを、基板上の隣接する領域に別個に作製すると共に、一方側端部がプルダウン電極及び接点電極の上方に位置するように他方側端部の基部により支持された導電性の可動梁を設置したものが挙げられる。可動梁は、微小な弾性力を有している。

上記ＭＥＭＳスイッチの動作は、プルダウン電極と可動梁との間に電圧を印加し、静電力により可動梁を吸引して、プルダウン電極に隣接する接点電極に可動梁をオーミック接触させることにより、スイッチの開閉を行うというものである。

上記構造において、バルクマイクロマシーニング法により作製された約１０μｍの厚さの可動梁を使用する場合は、可動梁が概ね充分な剛性を有しているために、接点電極に対する可動梁の充分な押し付け力を得ることができる。

しかしながら、バルクマイクロマシーニング法により可動梁を作製すると、その製造工程が複雑化し、製造コストが高くなるという問題がある。

一方、サーフェス（表面）マイクロマシーニング法により、薄膜を積層して可動梁を形成する場合、製造工程は相対的に簡易であるが、可動梁の厚さが最大で数μｍ程度、通常は１乃至２μｍ程度であるので、可動梁の剛性が小さく撓み易いため、接点電極に対して充分な接触圧力を加えることが困難である。

上述のようにバルクマイクロマシーニング法及びサーフェスマイクロマシーニング法にはそれぞれ一長一短があるが、製造コストを抑制するという観点からは、サーフェスマイクロマシーニング法を採用することが望ましい。

従って、サーフェスマイクロマシーニング法を製造方法として採用しながら、接点電極と可動梁との充分な接触圧力を得ようとする構造が、これまでにも提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

非特許文献１に開示されたＭＥＭＳスイッチは、プルダウン電極上に格子状の接点電極が形成された構造を有しており、格子状の接点電極の開口部に露出しているプルダウン電極と導電性の可動梁との間に電圧を印加することにより、可動梁を吸引して、格子状の接点電極に可動梁をオーミック接触させるものである。

しかし、この非特許文献１のＭＥＭＳスイッチにおいては、プルダウン電極上に格子状の接点電極が形成されているために、プルダウン電極と可動梁との距離は、接点電極の厚さを考慮して設定しなければならず、ほとんど調整が不可能である。接点電極の厚さの分だけプルダウン電極と可動梁との距離が長くなるので、プルダウン電極と可動梁との吸引力は依然として不十分であり、可動梁と接点電極との間に得られる接触圧力も充分とは言えない。

プルダウン電極と可動梁との間により大きい吸引力を得るためには、プルダウン電極の露出面積を大きくすること、即ち、格子状の接点電極の各部分を細く形成することが必要となるが、そうすると、可動梁と接点電極との間の接触抵抗が大きくなるという問題が生ずることとなる。

また、プルダウン電極と可動梁との間の印加電圧を大きくすることによって充分な吸引力を得ようとすると、消費電力の増大を招くという別の問題が生ずることとなる。
Jeremy B.Muldavin and Gabriel M.Rebeiz，"Inline Capacitive and DC-Contact MEMS Shunt Switches"，ＩＥＥＥ MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS, VOL.11, NO.8, pp.334-336, AUGUST 2001

本発明の目的は、可動梁が堆積薄膜により形成された場合においても、可動梁と接点電極との間に充分な接触圧力が得られ、かつ、両者間の接触抵抗も小さく抑制できる構造を有するＭＥＭＳスイッチを提供することである。

本発明の一態様によれば、基板と、上記基板上に形成された固定部と、下部電極、上記下部電極上に形成された第１の絶縁層、及び、上記第１の絶縁層上に形成された上部電極を含み、一方の端部が上記固定部により支持及び固定された可動梁と、上記可動梁の他方の端部の底面に対向して、上記基板上に形成された固定電極と、上記固定電極に対向する領域における上記下部電極及び上記第１の絶縁層に形成された開口部に、上記固定電極に対向する上記可動梁の底面よりも下方に突出して、上記上部電極と電気的に接続され且つ上記下部電極と絶縁されて形成された接点電極と、上記下部電極と上記固定電極とを絶縁する一方、上記接点電極と上記固定電極とが接触し得るように、上記接点電極と対向する領域に開口部を有して上記固定電極上に形成された、又は、上記固定電極に対向する上記下部電極の底面に付加して形成された第２の絶縁層と、を備えているＭＥＭＳスイッチが提供される。

本発明の他の態様によれば、基板と、上記基板上に形成された固定部と、一方の端部が上記固定部により支持及び固定された導電性の可動梁と、上記可動梁の他方の端部の底面に対向する上記基板上の領域に形成された固定下部電極と、上記固定下部電極の一部を露出させる開口部を有して上記固定下部電極上に形成された第１の絶縁層と、上記第１の絶縁層上に形成された固定上部電極と、上記固定上部電極上に形成された第２の絶縁層と、上記固定下部電極と電気的に接続され且つ上記固定上部電極と絶縁されて上記第２の絶縁層の上面よりも上方に突出して上記第１の絶縁層の上記開口部に形成された接点電極と、を備えているＭＥＭＳスイッチが提供される。

本発明の他の態様によれば、基板と、上記基板上に形成された固定部と、一方の端部が上記固定部により支持及び固定された導電性の可動梁と、上記可動梁の他方の端部の底面に対向する上記基板上の領域に形成された固定下部電極と、上記固定下部電極の一部を露出させる開口部を有して上記固定下部電極上に形成された第１の絶縁層と、上記第１の絶縁層上に形成された固定上部電極と、上記固定下部電極と電気的に接続され且つ上記固定上部電極と絶縁されて上記固定上部電極の上面よりも上方に突出して上記第１の絶縁層の上記開口部に形成された接点電極と、上記接点電極と対向する領域に開口部を有して上記可動梁の上記他方の端部の底面に形成された第２の絶縁層と、を備えているＭＥＭＳスイッチが提供される。

本発明の他の態様によれば、基板と、上記基板上に形成された固定部と、下部電極、上記下部電極上に形成された下部圧電層、上記下部圧電層上に形成された中間電極、上記中間電極上に形成された上部圧電層、及び、上記上部圧電層上に形成された上部電極を含み、一方の端部が上記固定部により支持及び固定された可動梁と、上記可動梁の他方の端部の底面に対向して、上記基板上に形成された固定電極と、上記固定電極に対向する領域における上記下部電極及び上記下部圧電層に形成された開口部に、上記固定電極に対向する上記可動梁の底面よりも下方に突出して、上記中間電極と電気的に接続され且つ上記下部電極と絶縁されて形成された接点電極と、上記下部電極と上記固定電極とを絶縁する一方、上記接点電極と上記固定電極とが接触し得るように、上記接点電極と対向する領域に開口部を有して上記固定電極上に形成された、又は、上記固定電極に対向する上記下部電極の底面に上記接点電極を避けて形成された絶縁層と、を備えているＭＥＭＳスイッチが提供される。

以下、本発明に係るＭＥＭＳスイッチの実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る静電駆動ＤＣコンタクト型ＭＥＭＳスイッチの平面図であり、図２は、本発明の第１の実施の形態に係るＭＥＭＳスイッチの断面図であって、図１の切断線ＡＡに沿った断面図である。

本発明の第１の実施の形態に係るＭＥＭＳスイッチは、基板１と、基板１上に形成された固定部２と、下部電極４、下部電極４上に形成された第１の絶縁層５、及び、第１の絶縁層５上に形成された上部電極６を含み、一方の端部が固定部２により支持及び固定された可動梁３と、可動梁３の他方の端部の底面に対向して、基板１上に形成された固定電極１０と、固定電極１０に対向する領域における下部電極４及び第１の絶縁層５に形成された開口部に、固定電極１０に対向する可動梁３の底面よりも下方に突出して、上部電極６と電気的に接続され且つ下部電極４と絶縁されて形成された接点電極９と、下部電極４と固定電極１０とを絶縁する一方、接点電極９と固定電極１０とが接触し得るように、接点電極９と対向する領域に開口部を有して固定電極１０上に形成された第２の絶縁層１１と、を備えている。

下部電極４、第１の絶縁層５及び上部電極６を含む可動梁３は、一方の端部が固定部２により支持及び固定されており、他方の端部が上下方向に可動な可動先端部となっている。接点電極９は、通常、可動先端部に形成される。

可動梁３の可動先端部、及び、可動先端部に対向する基板１上の部分の一例としての具体的構成は、以下の通りである。

基板１上に固定電極１０が形成されており、固定電極１０を被覆する第２の絶縁層１１には、その周縁部より内部に４箇所の開口部が形成されており、それらの開口部において固定電極１０の表面が露出している。

固定電極１０及び第２の絶縁層１１は、可動梁３の可動先端部の底面に対向する領域に形成されている。

可動梁３の可動先端部の下部電極４及び第１の絶縁層５には、第２の絶縁層１１の４箇所の開口部に対向する４箇所の部分、即ち、下部電極４及び第１の絶縁層５の周縁部より内部の４箇所の部分に開口部が形成されている。

下部電極４及び第１の絶縁層５の４箇所の開口部には、それぞれ、固定電極１０に対向する可動梁３の底面、即ち、本実施の形態においては下部電極４の底面よりも下方に突出して、上部電極６と電気的に接続され且つ下部電極４と絶縁された４個の接点電極９が形成されている。

ここで、接点電極９の下方への突出の程度について、固定電極１０に対向する可動梁３の底面よりも下方に突出して、という表現を用いている理由は、第２の絶縁層１１が、後述するように、基板１側の固定電極１０上に形成されていてもよく、又は、可動梁３側の、固定電極１０に対向する下部電極４の底面に付加して形成されていてもよいからである。第２の絶縁層１１が固定電極１０上に形成されている場合には、下部電極４の底面が可動梁３の底面を構成することとなり、第２の絶縁層１１が下部電極４の底面に付加して形成されている場合には、第２の絶縁層１１の底面が可動梁３の少なくとも可動先端部の底面を構成することとなる。

本発明の第１の実施の形態においては、上述のように、第２の絶縁層１１は固定電極１０上に形成されている。

以上のような構成の本発明の第１の実施の形態に係るＭＥＭＳスイッチにおいて、可動梁３の下部電極４と基板１上の固定電極１０との間に静電駆動電圧１２を印加すると、両電極間に静電吸引力が発生し、可動梁３の可動先端部が固定電極１０に吸引される。

但し、下部電極４と固定電極１０とは第２の絶縁層１１により絶縁されるので、両電極は短絡せず、静電駆動電圧１２が印加されている間、静電吸引力は保持される。

一方、固定電極１０に対向する可動梁３の底面、即ち、下部電極４の底面よりも下方に突出して形成された４個の接点電極９は、第２の絶縁層１１の４箇所の開口部から露出している固定電極１０とそれぞれ接触し、固定電極１０と可動梁３の上部電極６とが導通する。

ここで、各接点電極９は、静電吸引力を発生させる固定電極１０と可動梁３の下部電極４とに周囲を包囲されている。

従って、可動梁３が堆積薄膜により形成された剛性の小さいものである場合においても、各接点電極９は、均等且つ充分な強さの力で固定電極１０に押し付けられる。

結果として、本発明の第１の実施の形態によれば、接点電極９と固定電極１０との間の接触抵抗が低く、耐用寿命が長く、信頼性の高い静電駆動ＤＣコンタクト型ＭＥＭＳスイッチを実現することができる。

次に、本発明の第１の実施の形態に係る静電駆動ＤＣコンタクト型ＭＥＭＳスイッチの製造工程の一例について説明する。

図３ａ乃至図３ｅは、本発明の第１の実施の形態に係る静電駆動ＤＣコンタクト型ＭＥＭＳスイッチの各製造工程における構造を示す断面図である。図３ａ乃至図３ｅの各断面図は、図１の切断線ＡＡに沿った切断面に相当する部分の断面図である。

先ず、図３ａに示すように、スパッタリング法及びリフトオフ法を使用して、ガラス基板１上に厚さ３００ｎｍのイリジウム（Ｉｒ）からなる固定電極１０を形成する。さらに、反応性スパッタリング法を使用して、厚さ２００ｎｍの酸化シリコンからなる絶縁層１１（上記第２の絶縁層１１）を形成し、リソグラフィ法及びＲＩＥによりパターニングを行って、絶縁層１１の周縁部より内部に４箇所の開口部を開口し、固定電極１０の表面を露出させる。

固定電極１０の材料としては、イリジウム（Ｉｒ）の他に、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等の貴金属を使用することが可能である。

絶縁層１１の材料としては、酸化シリコンの他に、窒化シリコン、酸化アルミニウム等、通常の半導体プロセスにおいて使用される各種の絶縁膜を使用することが可能である。

固定電極１０及び絶縁層１１を形成後、ＭＯＣＶＤ法により窒化シリコン膜を成膜してリソグラフィ法及びＲＩＥによりパターニングを行って、図３ｂに示すように、固定部２を形成する。さらに、スパッタ法によりアモルファスシリコンからなる犠牲層７を形成して、ＣＭＰ（化学的機械的研磨法）により固定部２の表面が露出するまで表面研磨及び平坦化を行う。

犠牲層７としては、他の膜材料に対して選択的エッチングが可能な無機材料、金属材料、有機材料等を使用することが可能であるが、本実施の形態ではアモルファスシリコンを使用している。

固定部２及び犠牲層７を形成後、リフトオフ用のレジストパターンを利用してＲＩＥにより犠牲層７のライトエッチングを行い、犠牲層７に深さ４００ｎｍのトレンチを形成した後、スパッタ法により金（Ａｕ）を堆積させてリフトオフ法によりパターニングを行い、図３ｃに示すように、接点電極９を形成する。

接点電極９を形成後、スパッタ法並びにリソグラフィ法及びＲＩＥにより、図３ｄに示すように、厚さ３００ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）からなる下部電極４と、厚さ２００ｎｍの酸化シリコンからなる絶縁層５（上記第１の絶縁層５）とを順に形成する。このとき、下部電極４は、接点電極９から離間して直接接触しないようにパターニングを行い、絶縁層５は、下部電極４と接点電極９との間の間隙を埋め込むように形成した上で、接点電極９の上面が露出するようにパターニングを行った。

下部電極４及び絶縁層５を形成後、スパッタ法並びにリソグラフィ法及びＲＩＥにより、図３ｅに示すように、厚さ１μｍのアルミニウム（Ａｌ）からなる上部電極６を、接点電極９に電気的に接続されるように形成する。その後、二フッ化キセノン（ＸｅＦ_２）を使用した選択的エッチングにより犠牲層７を除去すると、図１及び図２に示した通りの構造を有する本発明の第１の実施の形態に係る静電駆動ＤＣコンタクト型ＭＥＭＳスイッチが完成する。

この本発明の第１の実施の形態に係るＭＥＭＳスイッチにおいて、可動梁３の下部電極４と固定電極１０との間に０Ｖ乃至１５Ｖの静電駆動電圧１２を印加して、可動梁３の上部電極６と固定電極１０との間の抵抗を測定したところ、１０^８回以上の繰り返し開閉動作を行っても、１Ω以下の非常に低いコンタクト抵抗が安定的に得られた。

図４は、本発明の第１の実施の形態に係る静電駆動ＤＣコンタクト型ＭＥＭＳスイッチの変形例の断面図であり、図１の切断線ＡＡに沿った切断面に相当する部分の断面図である。

図４に示す第１の実施の形態の変形例は、図１に示す第１の実施の形態において基板１側の固定電極１０上に形成されていた第２の絶縁層１１が、可動梁３側の、基板１に対向する下部電極４の底面に付加して形成されているものである。

即ち、図４に示す第１の実施の形態の変形例における第２の絶縁層１１は、下部電極４と固定電極１０とを絶縁する一方、接点電極９と固定電極１０とが接触し得るように、接点電極９周辺の、固定電極１０に対向する下部電極４の底面に接点電極９を避けて形成されている。

第２の絶縁層１１は、形成されている部位が異なっているが、下部電極４と固定電極１０との間に静電駆動電圧１２が印加されたときに、下部電極４と固定電極１０との短絡を防止するという役割は全く同様である。

この変形例においても、第１の実施の形態と同様に、接点電極９と固定電極１０との間の接触抵抗が低く、耐用寿命が長く、信頼性の高い静電駆動ＤＣコンタクト型ＭＥＭＳスイッチを実現することができる。

図５は、本発明の第２の実施の形態に係る静電駆動ＤＣコンタクト型ＭＥＭＳスイッチの平面図であり、図６は、本発明の第２の実施の形態に係るＭＥＭＳスイッチの断面図であって、図５の切断線ＡＡに沿った断面図である。

本発明の第２の実施の形態に係るＭＥＭＳスイッチは、基板２１と、基板２１上に形成された固定部２２と、一方の端部が固定部２２により支持及び固定された導電性の可動梁２３と、可動梁２３の他方の端部の底面に対向する基板２１上の領域に形成された固定下部電極２４と、固定下部電極２４の一部を露出させる開口部を有して固定下部電極２４上に形成された第１の絶縁層２５と、第１の絶縁層２５上に形成された固定上部電極２６と、固定上部電極２６上に形成された第２の絶縁層２７と、固定下部電極２４と電気的に接続され且つ固定上部電極２６と絶縁されて第２の絶縁層２７の上面よりも上方に突出して第１の絶縁層２５の開口部に形成された接点電極２８と、を備えている。

本発明の第２の実施の形態に係るＭＥＭＳスイッチにおいては、静電駆動電圧２９が印加される固定上部電極２６、高周波信号が通過する固定下部電極２４、可動梁２３と固定下部電極２４とを導通させる接点電極２８等が総て基板２１上に形成されており、可動梁２３は一層構造を有している。

導電性の材料で形成された可動梁２３は、一方の端部が固定部２２により支持されて基板２１上に固定されており、他方の端部、即ち、可動先端部が接点電極２８及び固定上部電極２６の上方に延在している。

第１の絶縁層２５、固定上部電極２６及び第２の絶縁層２７には、例えば、それらの周縁部より内部の４箇所の部分に開口部が形成されている。それらの開口部内部には、固定下部電極２４と電気的に接続され且つ固定上部電極２６と絶縁されて第２の絶縁層２７の上面よりも上方に突出した４個の接点電極２８がそれぞれ形成されている。

可動梁２３と固定上部電極２６との間に静電駆動電圧２９を印加することにより、両電極間に静電吸引力が発生し、可動梁２３の可動先端部が上部固定電極２６に吸引される。

但し、可動梁２３と上部固定電極２６とは第２の絶縁層２７により絶縁されるので、両電極は短絡せず、静電駆動電圧２９が印加されている間、静電吸引力は保持される。

一方、第２の絶縁層２７の上面よりも上方に突出して形成された４個の接点電極２８は、可動梁２３の可動先端部とそれぞれ接触し、可動梁２３と固定下部電極２４とが導通する。

このとき、各接点電極２８は、静電吸引力を発生させる固定上部電極２６と可動梁２３の可動先端部とに周囲を包囲されている。

従って、可動梁２３が堆積薄膜により形成された剛性の小さいものである場合においても、可動梁２３の可動先端部は、均等且つ充分な強さの力で各接点電極２８に押し付けられる。

結果として、本発明の第２の実施の形態によれば、接点電極２８と導電性の可動梁２３との間の接触抵抗が低く、耐用寿命が長く、信頼性の高い静電駆動ＤＣコンタクト型ＭＥＭＳスイッチを実現することができる。

尚、本発明の第２の実施の形態においては、第２の絶縁層２７は、上述のように、固定上部電極２６上に形成されている。

しかし、本発明の第２の実施の形態においても、第２の絶縁層２７が、基板２１側の固定上部電極２６上ではなく、固定上部電極２６に対向する可動梁２３の底面に付加して形成されている変形例を構成することが可能である。

その場合の本発明の第２の実施の形態に係るＭＥＭＳスイッチの変形例は、基板２１と、基板２１上に形成された固定部２２と、一方の端部が固定部２２により支持及び固定された導電性の可動梁２３と、可動梁２３の他方の端部の底面に対向する基板２１上の領域に形成された固定下部電極２４と、固定下部電極２４の一部を露出させる開口部を有して固定下部電極２４上に形成された第１の絶縁層２５と、第１の絶縁層２５上に形成された固定上部電極２６と、固定下部電極２４と電気的に接続され且つ固定上部電極２６と絶縁されて固定上部電極２６の上面よりも上方に突出して第１の絶縁層２５の開口部に形成された接点電極２８と、接点電極２８と対向する領域に開口部を有して可動梁２３の他方の端部の底面に形成された第２の絶縁層（２７）と、を備えているものとなる。

図７は、本発明の第３の実施の形態に係る静電駆動ＤＣコンタクト型ＭＥＭＳスイッチの平面図であり、図８は、本発明の第３の実施の形態に係るＭＥＭＳスイッチの断面図であって、図７の切断線ＡＡに沿った断面図である。

本発明の第３の実施の形態に係るＭＥＭＳスイッチは、基板３１と、基板３１上に形成された固定部３２と、下部電極３４、下部電極３４上に形成された下部圧電層３５、下部圧電層３５上に形成された中間電極３６、中間電極３６上に形成された上部圧電層３７、及び、上部圧電層３７上に形成された上部電極３８を含み、一方の端部が固定部３２により支持及び固定された可動梁３３と、可動梁３３の他方の端部の底面に対向して、基板３１上に形成された固定電極４０と、固定電極４０に対向する領域における下部電極３４及び下部圧電層３５に形成された開口部に、固定電極４０に対向する可動梁３３の底面よりも下方に突出して、中間電極３６と電気的に接続され且つ下部電極３４と絶縁されて形成された接点電極３９と、下部電極３４と固定電極４０とを絶縁する一方、接点電極３９と固定電極４０とが接触し得るように、接点電極３９と対向する領域に開口部を有して固定電極４０上に形成された絶縁層４１と、を備えている。

本発明の第３の実施の形態に係るＭＥＭＳスイッチは、第１乃至第２の実施の形態と同様の静電駆動機構に加えて圧電バイモルフ駆動機構も兼備したハイブリッド型駆動機構を備えている。

下部電極３４、下部圧電層３５、中間電極３６、上部圧電層３７及び上部電極３８を含む可動梁３３は、一方の端部が固定部３２により支持及び固定されており、他方の端部が上下方向に可動な可動先端部となっている。接点電極９９は、通常、可動先端部に形成される。

可動梁３３の可動先端部、及び、可動先端部に対向する基板３１上の部分の一例としての具体的構成は、以下の通りである。

基板３１上には固定電極４０が形成されており、固定電極４０を被覆する絶縁層４１には、その周縁部より内部に４箇所の開口部が形成されており、それらの開口部において固定電極４０の表面が露出している。

固定電極４０及び絶縁層４１は、可動梁３３の可動先端部に対向する領域に形成されている。

可動梁３３の可動先端部の下部電極３４及び下部圧電層３５には、絶縁層４１の４箇所の開口部に対向する４箇所の部分、即ち、下部電極３４及び下部圧電層３５の周縁部より内部の４箇所の部分に開口部が形成されている。

下部電極３４及び下部圧電層３５の４箇所の開口部には、それぞれ、固定電極４０に対向する可動梁３３の底面、即ち、本実施の形態においては下部電極３４の底面よりも下方に突出して、中間電極３６と電気的に接続され且つ下部電極３４と絶縁された４個の接点電極３９が形成されている。

ここで、接点電極３９の下方への突出の程度について、基板３１に対向する可動梁３３の底面よりも下方に突出して、という表現を用いている理由は、絶縁層４１が、後述するように、基板３１側の固定電極４０上に形成されていてもよく、又は、可動梁３３側の、固定電極４０に対向する下部電極３４の底面に付加して形成されていてもよいからである。絶縁層４１が固定電極４０上に形成されている場合には、下部電極３４の底面が可動梁３３の底面を構成することとなり、絶縁層４１が下部電極３４の底面に付加して形成されている場合には、絶縁層４１の底面が可動梁３３の少なくとも可動先端部の底面を構成することとなる。

本発明の第３の実施の形態においては、上述のように、絶縁層４１は固定電極４０上に形成されている。

可動梁３３の下部圧電層３５及び上部圧電層３７は、層面に垂直な同一方向に分極しており、下部電極３４及び中間電極３６間と中間電極３６及び上部電極３８間とに逆バイアスの圧電駆動電圧４３を印加することにより、下部圧電層３５は層面内に収縮し、上部圧電層３７は層面内に伸長するため、可動梁３３は上に凸状に撓み、可動先端部が基板３１に接触する。尚、本実施の形態においては、下部圧電層３５及び上部圧電層３７として、スパッタ法により作製した、厚さ方向にｃ軸配向した厚さ０．５μｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）圧電膜を使用している。

一方、可動梁３３の下部電極３４と固定電極４０との間にも静電駆動電圧４２を印加すると、両電極間に静電吸引力が発生し、可動梁３３の可動先端部が固定電極４０に吸引される。

但し、固定電極４０上には絶縁層４１が形成されているので、可動梁３３の下部電極３４と固定電極４０とは短絡せずに静電吸引力は保持される。従って、可動梁３３の接点電極３９と固定電極４０とが接触し、可動梁３３の中間電極３６と固定電極４０とが接点電極３９を介して導通する。

ここで、各接点電極３９は、静電吸引力を発生させる固定電極４０と可動梁３３の下部電極３４とに周囲を包囲されている。

従って、可動梁３３が堆積薄膜により形成された剛性の小さいものである場合においても、各接点電極３９は、均等且つ充分な強さの力で固定電極４０に押し付けられる。

尚、可動梁３３の下部電極３４は、圧電バイモルフ駆動電極及び静電駆動電極の二重の役割を果たしており、また、中間電極３６は、圧電バイモルフ駆動電極及び高周波信号電極の二重の役割を果たしている。

圧電バイモルフ駆動の場合は、低電圧で大きな変形が得られるという特徴があるが、可動梁３３の可動先端部の押し付け力は弱い。一方、静電駆動の場合は、静電吸引力は電極間距離の−２乗に比例するため、電極間距離が長いと大きな駆動電圧が必要であるが、二つの電極が電極間に絶縁層を介して接触した場合には大きな吸引力を発揮する。

従って、本実施の形態のような圧電駆動及び静電駆動を兼備したハイブリッド型駆動機構においては、電極間が離れている間は主として圧電駆動により可動梁３３の可動先端部が変位し、可動梁３３の可動先端部と固定電極４０とが近づいたときは主として静電駆動により大きな吸引力が得られるという利点がある。

よって、本発明の第３の実施の形態によれば、駆動電圧が低く、接点電極３９と固定電極１０との間の接触抵抗が低く、耐用寿命が長く、信頼性の高い静電駆動ＤＣコンタクト型ＭＥＭＳスイッチを実現することができる。

具体的には、静電駆動のみの第１の実施の形態に係るＭＥＭＳスイッチでは、前述したように１５Ｖの駆動電圧が必要であったのに対し、可動梁３３の長さが４００μｍ、接点電極３９と固定電極４０との間隔が２μｍに設定された第３の実施の形態に係るＭＥＭＳスイッチの場合には、静電駆動と圧電駆動とのハイブリッド駆動の動作電圧は６Ｖで充分であった。

尚、上述のように、本発明の第３の実施の形態においては、絶縁層４１は、固定電極４０上に形成されている。

しかし、本発明の第３の実施の形態においても、絶縁層４１が、基板３１側の固定電極４０上ではなく、固定電極４０に対向する可動梁３３側の下部電極３４の底面に付加して形成されている第１の変形例を構成することが可能である。

その場合の本発明の第３の実施の形態に係るＭＥＭＳスイッチの第１の変形例は、基板３１と、基板３１上に形成された固定部３２と、下部電極３４、下部電極３４上に形成された下部圧電層３５、下部圧電層３５上に形成された中間電極３６、中間電極３６上に形成された上部圧電層３７、及び、上部圧電層３７上に形成された上部電極３８を含み、一方の端部が固定部３２により支持及び固定された可動梁３３と、可動梁３３の他方の端部の底面に対向して、基板３１上に形成された固定電極４０と、固定電極４０に対向する領域における下部電極３４及び下部圧電層３５に形成された開口部に、固定電極４０に対向する可動梁３３の底面よりも下方に突出して、中間電極３６と電気的に接続され且つ下部電極３４と絶縁されて形成された接点電極３９と、下部電極３４と固定電極４０とを絶縁する一方、接点電極３９と固定電極４０とが接触し得るように、固定電極４０に対向する下部電極３４の底面に接点電極３９を避けて形成された絶縁層４１と、を備えているものとなる。

図９は、本発明の第３の実施の形態に係る静電駆動ＤＣコンタクト型ＭＥＭＳスイッチの第２の変形例の平面図であり、図１０は、本発明の第３の実施の形態に係るＭＥＭＳスイッチの第２の変形例の断面図であって、図９の切断線ＡＡに沿った断面図である。

本発明の第３の実施の形態の第２の変形例の全体的な構成は、第３の実施の形態とほぼ同様であるが、基板３１上の固定電極４０が、可動梁３３の長手方向と垂直な方向に沿って、第１の固定電極４０ａと第２の固定電極４０ｂとに分割して形成されており、接点電極３９が、第１の固定電極４０ａと第２の固定電極４０ｂとに対向する位置にそれぞれ形成されている点が異なっている。

即ち、本発明の第３の実施の形態の第２の変形例における第１の固定電極４０ａと第２の固定電極４０ｂとは、可動梁３３の長手方向に沿った分割領域を挟んで、可動梁３３の長手方向と垂直な方向に沿って分割して形成されている。

上記構成から分かるように、本発明の第３の実施の形態の第２の変形例は、いわゆるシリーズ型スイッチの例である。

この第２の変形例においては、可動梁３３が基板３１に接触してスイッチが閉状態になったときに、高周波信号は、固定電極４０ａ−接触電極３９−中間電極３６−接触電極３９−固定電極４０ｂの経路に沿って流れることができ、高周波信号が可動梁３３の中間電極３６を流れる距離を著しく短縮できるため、直列抵抗成分を減少させることが可能である。

尚、本発明の第３の実施の形態の第２の変形例においても、絶縁層４１が、基板３１側の固定電極４０上ではなく、固定電極４０に対向する可動梁３３側の下部電極３４の底面に付加して形成されている更なる変形例を構成することが可能である。

本発明の第１の実施の形態の平面図。 本発明の第１の実施の形態の断面図。 本発明の第１の実施の形態の製造工程の断面図。 本発明の第１の実施の形態の製造工程の断面図。 本発明の第１の実施の形態の製造工程の断面図。 本発明の第１の実施の形態の製造工程の断面図。 本発明の第１の実施の形態の製造工程の断面図。 本発明の第１の実施の形態の変形例の断面図。 本発明の第２の実施の形態の平面図。 本発明の第２の実施の形態の断面図。 本発明の第３の実施の形態の平面図。 本発明の第３の実施の形態の断面図。 本発明の第３の実施の形態の第２の変形例の平面図。 本発明の第３の実施の形態の第２の変形例の断面図。

符号の説明

１，２１，３１ 基板
２，２２，３２ 固定部
３，２３，３３ 可動梁
４，３４ 下部電極
５，１１，２５，２７，４１ 絶縁層
６，３８ 上部電極
７ 犠牲層
９，２８，３９ 接点電極
１０，４０ 固定電極
１２，２９ 静電駆動電圧
２４ 固定下部電極
２６ 固定上部電極
３７ 上部圧電層
３６ 中間電極
３５ 下部圧電層

Claims (21)

1. 基板と、
   前記基板上に形成された固定部と、
   下部電極、前記下部電極上に形成された第１の絶縁層、及び、前記第１の絶縁層上に形成された上部電極を含み、一方の端部が前記固定部により支持及び固定された可動梁と、
   前記可動梁の他方の端部の底面に対向して、前記基板上に形成された固定電極と、
   前記固定電極に対向する領域における前記下部電極及び前記第１の絶縁層に形成された開口部に、前記固定電極に対向する前記可動梁の底面よりも下方に突出して、前記上部電極と電気的に接続され且つ前記下部電極と絶縁されて形成された接点電極と、
   前記下部電極と前記固定電極とを絶縁する一方、前記接点電極と前記固定電極とが接触し得るように、前記接点電極と対向する領域に開口部を有して前記固定電極上に形成された、又は、前記固定電極に対向する前記下部電極の底面に前記接点電極を避けて形成された第２の絶縁層と、
   を備えていることを特徴とするＭＥＭＳスイッチ。
2. 前記第１の絶縁層の前記開口部は、前記第１の絶縁層の周縁部より内部に形成されているものであることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
3. 前記第２の絶縁層が前記固定電極上に形成されている場合には、前記下部電極の底面が前記可動梁の前記他方の端部の底面を構成し、前記第２の絶縁層が前記下部電極の底面に形成されている場合には、前記第２の絶縁層の底面が前記可動梁の前記他方の端部の底面を構成することを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
4. 前記下部電極と前記固定電極との間には、静電駆動電圧が印加されることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
5. 前記静電駆動電圧が印加されると、前記接点電極は、前記下部電極と前記固定電極とに周囲を包囲されることを特徴とする請求項４に記載のＭＥＭＳスイッチ。
6. 基板と、
   前記基板上に形成された固定部と、
   一方の端部が前記固定部により支持及び固定された導電性の可動梁と、
   前記可動梁の他方の端部の底面に対向する前記基板上の領域に形成された固定下部電極と、
   前記固定下部電極の一部を露出させる開口部を有して前記固定下部電極上に形成された第１の絶縁層と、
   前記第１の絶縁層上に形成された固定上部電極と、
   前記固定上部電極上に形成された第２の絶縁層と、
   前記固定下部電極と電気的に接続され且つ前記固定上部電極と絶縁されて前記第２の絶縁層の上面よりも上方に突出して前記第１の絶縁層の前記開口部に形成された接点電極と、
   を備えていることを特徴とするＭＥＭＳスイッチ。
7. 前記第１の絶縁層の前記開口部は、前記第１の絶縁層の周縁部より内部に形成されているものであることを特徴とする請求項６に記載のＭＥＭＳスイッチ。
8. 前記可動梁と前記固定上部電極との間には、静電駆動電圧が印加されることを特徴とする請求項６に記載のＭＥＭＳスイッチ。
9. 前記静電駆動電圧が印加されると、前記接点電極は、前記可動梁と前記固定上部電極とに周囲を包囲されることを特徴とする請求項８に記載のＭＥＭＳスイッチ。
10. 基板と、
    前記基板上に形成された固定部と、
    一方の端部が前記固定部により支持及び固定された導電性の可動梁と、
    前記可動梁の他方の端部の底面に対向する前記基板上の領域に形成された固定下部電極と、
    前記固定下部電極の一部を露出させる開口部を有して前記固定下部電極上に形成された第１の絶縁層と、
    前記第１の絶縁層上に形成された固定上部電極と、
    前記固定下部電極と電気的に接続され且つ前記固定上部電極と絶縁されて前記固定上部電極の上面よりも上方に突出して前記第１の絶縁層の前記開口部に形成された接点電極と、
    前記接点電極と対向する領域に開口部を有して前記可動梁の前記他方の端部の底面に形成された第２の絶縁層と、
    を備えていることを特徴とするＭＥＭＳスイッチ。
11. 前記第１の絶縁層の前記開口部は、前記第１の絶縁層の周縁部より内部に形成されているものであることを特徴とする請求項１０に記載のＭＥＭＳスイッチ。
12. 前記可動梁と前記固定上部電極との間には、静電駆動電圧が印加されることを特徴とする請求項１０に記載のＭＥＭＳスイッチ。
13. 前記静電駆動電圧が印加されると、前記接点電極は、前記可動梁と前記固定上部電極とに周囲を包囲されることを特徴とする請求項１２に記載のＭＥＭＳスイッチ。
14. 基板と、
    前記基板上に形成された固定部と、
    下部電極、前記下部電極上に形成された下部圧電層、前記下部圧電層上に形成された中間電極、前記中間電極上に形成された上部圧電層、及び、前記上部圧電層上に形成された上部電極を含み、一方の端部が前記固定部により支持及び固定された可動梁と、
    前記可動梁の他方の端部の底面に対向して、前記基板上に形成された固定電極と、
    前記固定電極に対向する領域における前記下部電極及び前記下部圧電層に形成された開口部に、前記固定電極に対向する前記可動梁の底面よりも下方に突出して、前記中間電極と電気的に接続され且つ前記下部電極と絶縁されて形成された接点電極と、
    前記下部電極と前記固定電極とを絶縁する一方、前記接点電極と前記固定電極とが接触し得るように、前記接点電極と対向する領域に開口部を有して前記固定電極上に形成された、又は、前記固定電極に対向する前記下部電極の底面に前記接点電極を避けて形成された絶縁層と、
    を備えていることを特徴とするＭＥＭＳスイッチ。
15. 前記下部圧電層の前記開口部は、前記下部圧電層の周縁部より内部に形成されているものであることを特徴とする請求項１４に記載のＭＥＭＳスイッチ。
16. 前記絶縁層が前記固定電極上に形成されている場合には、前記下部電極の底面が前記可動梁の前記他方の端部の底面を構成し、前記絶縁層が前記下部電極の底面に形成されている場合には、前記絶縁層の底面が前記可動梁の前記他方の端部の底面を構成することを特徴とする請求項１４に記載のＭＥＭＳスイッチ。
17. 前記下部電極と前記固定電極との間には、静電駆動電圧が印加されることを特徴とする請求項１４に記載のＭＥＭＳスイッチ。
18. 前記静電駆動電圧が印加されると、前記接点電極は、前記下部電極と前記固定電極とに周囲を包囲されることを特徴とする請求項１７に記載のＭＥＭＳスイッチ。
19. 前記下部圧電層及び前記上部圧電層は、層面に垂直な同一方向に分極しているものであることを特徴とする請求項１４に記載のＭＥＭＳスイッチ。
20. 前記下部電極及び前記中間電極間と、前記中間電極及び前記上部電極間とには、逆バイアスの圧電駆動電圧が印加されることを特徴とする請求項１９に記載のＭＥＭＳスイッチ。
21. 前記固定電極が、前記可動梁の長手方向と垂直な方向に沿って、第１の固定電極と第２の固定電極とに分割して形成されており、前記接点電極が、前記第１の固定電極と前記第２の固定電極とに対向する位置にそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１４に記載のＭＥＭＳスイッチ。

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