JP2009009785A - Ｍｅｍｓスイッチ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁部とブリッジ電極の密着力を高くして、信頼性を高くする。
【解決手段】本発明のＭＥＭＳスイッチ１１は、絶縁基板２と、絶縁基板２上に設けられ分断された信号線３と、絶縁基板２上に信号線３をまたぐように設けられたブリッジ４と、ブリッジ４に設けられブリッジ４の変形に応じて信号線３と接触又は開離するブリッジ電極１３と、絶縁基板２上に設けられブリッジ４を変形させるための静電気力を発生させる静電電極６とを備えたものにおいて、ブリッジ電極１３とブリッジ４を電気的に絶縁する絶縁部１２を、有機膜で構成したところに特徴を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロマシニング技術を用いて製造されるものであって、機械的に動作するスイッチ機構を備えたＭＥＭＳスイッチ及びその製造方法に関する。

近年、高周波帯域（ＲＦ帯域）で使用される多くの電子システムは、さらなる小形化・軽量化・高性能化が進められている。このような電子システムには、これまで電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）やＰＩＮダイオードなどの半導体スイッチが使用されてきた。しかし、半導体スイッチは消費電力が大きく、また、高周波特性の改良に課題がある。

そこで、最近では、半導体微細加工技術、更には、これを拡張して微細な立体構造や可動機構を作れるようにしたマイクロマシニング技術を用いて、機械的に動作する超小型の高周波用ＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical System）スイッチを製造する研究がなされている。この種のＭＥＭＳスイッチは、低挿入損失及び高絶縁性を備えていることから、半導体スイッチの短所を克服することが可能である。上記ＭＥＭＳスイッチの例として、特許文献１、２に記載された構成が知られている。

ＭＥＭＳスイッチを駆動する方法として、静電気力を用いる方法がある。この静電気力を用いる方法は、対向する２つの電極間に作用する静電気力でスイッチをオン／オフする方法であり、構造及び製造工程が簡単である。

ここで、本発明者らが開発しているＭＥＭＳスイッチの一例を、図７に従って説明する。この図７に示すように、ＭＥＭＳスイッチ１は、絶縁基板２と、絶縁基板２上に設けられ分断された信号線３と、絶縁基板２上に信号線３をまたぐように設けられたブリッジ４と、ブリッジ４に設けられ信号線３と接触又は開離するブリッジ電極５と、絶縁基板２上に設けられブリッジ４を変形させる静電気力を発生させる静電電極６とを備えている。

上記構成の場合、ブリッジ電極５の両側に配設した静電電極６と、ブリッジ４との間にＤＣ電圧を印加すると、静電気力がブリッジ４に作用し、ブリッジ４が下方へ向けて変形する。これにより、ブリッジ電極５が分断された信号線３に接触して信号線３が導通する、即ち、スイッチがオンする。上記電圧の印加を止めると、ブリッジ４が復帰変形し、信号線３からブリッジ電極５が離間して信号線３が遮断する、即ち、スイッチがオフする。

上記構成のＭＥＭＳスイッチ１において、ブリッジ４とブリッジ電極５との間には、絶縁部７が設けられており、信号線３とブリッジ４が電気的に分離（絶縁）されている。このような構成のＭＥＭＳスイッチ１によれば、シリーズ型スイッチ構造を実現できることから、汎用性の高いＲＦ用スイッチを構成することができる。

次に、上記ＭＥＭＳスイッチ１の製造プロセスを、図８を参照して説明する。まず、図８（ａ）に示すように、厚さ数１００μｍ程度のシリコン基板やガラス基板からなる絶縁基板２上に、アルミや金などの導電性材料を用いてスパッタや蒸着方法により、信号線３、静電電極６、接地電極ＧＮＤなどを、厚さ０．１から数μｍ程度で形成する。そして、図８（ｂ）に示すように、静電電極６上にＳｉＯ_２やＳｉＮなどからなる誘電体膜（絶縁膜）８をスパッタ法などで、厚さ０．１μｍ程度で形成する。

続いて、図８（ｃ）に示すように、信号線３の上に、径が数μｍ程度で厚みが数μｍ程度の接点３ａを形成する。接点３ａは複数個形成しても良い。次に、図８（ｄ）に示すように、ポリイミドの有機膜やＳｉＯ_２などの無機膜を用いて犠牲層９を厚さ数μｍ程度で形成する。そして、図８（ｅ）に示すように、犠牲層９上に、アルミや金などの導電性材料を用いてスパッタや蒸着方法により、可動する梁であるブリッジ４を厚さ数μｍ程度で形成する。

次いで、図８（ｆ）に示すように、ブリッジ４のほぼ中央部における分断された信号線３の真上に位置する部分に、ＳｉＯ_２の絶縁膜からなる絶縁部７をスパッタ法で厚さ数１００ｎｍ程度で形成する。その後、図８（ｇ）に示すように、絶縁部７の上にアルミや金などの導電性材料を用いてスパッタや蒸着方法により、ブリッジ電極５を厚さ数μｍ程度で形成する。

ここで、良好な高周波特性を確保するためには、ブリッジ電極５とブリッジ４間の浮遊容量を低減することが重要であり、絶縁部７の厚みを厚くしたり、ブリッジ電極５とブリッジ４間の距離を広げたり、更に、絶縁部７の誘電率を低下させる必要がある。この後、犠牲層９をドライエッチング法で除去することにより、ＭＥＭＳスイッチ１が完成する。
特開２００１−２６６７２７号公報 特開２００２−２３７２４５号公報

しかし、上記した構成のＭＥＭＳスイッチ１は、機械的な信頼性確保の点で問題があった。それは、可動するブリッジ４の中央部が、金などの部材と密着力が弱い無機膜である硬い絶縁部材（即ち、絶縁部７）の複合構造体で構成されていることである。このため、ＭＥＭＳスイッチ１の製造プロセス工程で導電部材と絶縁部材が剥離したり、ブリッジ４の主要部材とブリッジ電極５と絶縁部７が数ｋＨｚ程度の駆動周波数で数μｍ程度可動する際に、絶縁部７とブリッジ電極５の密着が低下して接着界面で剥離したり、絶縁部７自体が破断するという問題が発生した。この結果、ＭＥＭＳスイッチ１を製造する製造プロセス工程で歩留まりが低下したり、ＭＥＭＳスイッチ１のブリッジ４を駆動できる駆動回数が低下したりして、信頼性が低下する。

そこで、本発明の目的は、絶縁部とブリッジ電極の密着力を高くして、信頼性を高くすることができるＭＥＭＳスイッチ及びその製造方法を提供することにある。

本発明のＭＥＭＳスイッチは、絶縁基板と、前記絶縁基板上に設けられ分断された信号線と、前記絶縁基板上に前記信号線をまたぐように設けられたブリッジと、前記ブリッジに設けられ前記ブリッジの変形に応じて前記信号線と接触又は開離するブリッジ電極と、前記絶縁基板上に設けられ前記ブリッジを変形させるための静電気力を発生させる静電電極とを備えたものにおいて、前記ブリッジ電極と前記ブリッジを電気的に絶縁する絶縁部を、有機膜で構成したところに特徴を有する。

上記構成の場合、前記有機膜は、ポリイミド、ベンゾシクロブタン、フッ素系ポリマー、または、感光性フォトレジスト等から形成されていることが好ましい。
また、本発明のＭＥＭＳスイッチの製造方法は、絶縁基板上に信号線と静電電極を形成する工程と、前記静電電極上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁基板上に犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層上に絶縁部の下部保護部を形成する工程と、前記犠牲層上にブリッジを形成する工程と、前記犠牲層上にブリッジ電極を形成する工程と、前記ブリッジ電極の周囲に有機材料を用いた絶縁部を形成する工程と、前記絶縁部上に上部保護部を形成する工程と、前記犠牲層を除去する工程とを備えたところに特徴を有する。

また、本発明の他のＭＥＭＳスイッチの製造方法は、絶縁基板上に信号線と静電電極を形成する工程と、前記静電電極上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁基板上に犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層上にブリッジ電極を形成する工程と、記ブリッジ電極の周囲に有機材料を用いた絶縁部を形成する工程と、前記絶縁部の外周部にブリッジを形成する工程と、前記犠牲層を除去する工程とを備え、前記犠牲層のエッチング速度を、前記絶縁部のエッチング速度よりも早くするように構成したところに特徴を有する。

本発明は、ブリッジ電極とブリッジを電気的に絶縁する絶縁部を、有機膜で構成したので、絶縁部とブリッジ電極の密着力を高くすることができ、信頼性を向上させることができるという優れた効果を奏する。

以下、本発明の第１の実施例について、図１及び図２を参照しながら説明する。尚、従来構成（図７及び図８）と同一構成には、同一符号を付している。本実施例のＭＥＭＳスイッチ１１は、図１に示すように、絶縁基板２と、絶縁基板２上に設けられ分断された信号線３と、絶縁基板２上に信号線３をまたぐように設けられたブリッジ４と、ブリッジ４に設けられたブリッジ電極１３と、絶縁基板２上に設けられた静電電極６とを備えている。

ブリッジ電極１３は、ブリッジ４の下方への変形に応じて信号線３と接触し（即ち、ＭＥＭＳスイッチ１１がオンし）、ブリッジ４の復帰変形（上方への変形）に応じて信号線３と開離する（即ち、ＭＥＭＳスイッチ１１がオフする）。静電電極６は、ブリッジ４を変形させるための静電気力を発生させるものである。静電電極６とブリッジ４との間にＤＣ電圧を印加すると、静電気力がブリッジ４に作用し、ブリッジ４が下方へ向けて（信号線３に接近する方向へ）変形する。

本実施例においては、ブリッジ電極１３とブリッジ４を電気的に絶縁する絶縁部１２を、有機膜で構成している。この場合、絶縁部１２を構成する有機膜としては、例えば、ポリイミド、ベンゾシクロブタン、フッ素系ポリマー、または、感光性フォトレジスト等から形成された膜を用いることが好ましい。

次に、上記構成のＭＥＭＳスイッチ１１を製造する製造プロセスについて、図２を参照して説明する。まず、図２（ａ）に示すように、厚さ数１００μｍ程度のシリコン基板やガラス基板からなる絶縁基板２上に、アルミや金などの導電性材料を用いてスパッタや蒸着方法により、信号線３、静電電極６、接地電極ＧＮＤなどを薄膜で形成する。この薄膜の厚さは、例えば０．１から数μｍ程度に設定されている。

そして、図２（ｂ）に示すように、静電電極６上にＳｉＯ_２やＳｉＮなどからなる誘電体膜（絶縁膜）８をスパッタ法などで、厚さ０．１μｍ程度の薄膜で形成する。続いて、図２（ｃ）に示すように、信号線３の上に、径が数μｍ程度で厚みが数μｍ程度の接点３ａを形成する。尚、接点３ａは複数個形成しても良い。

次に、図２（ｄ）に示すように、例えばポリイミドの有機膜を用いて犠牲層９を、厚さ数μｍ程度の薄膜で形成する。そして、図２（ｅ）に示すように、犠牲層９上における信号線３の接点３ａの周囲に、例えばＳｉＯ_２などからなる絶縁膜１４をスパッタ法などで、厚さ数１００ｎｍ程度の薄膜で形成する。この絶縁膜１４が、後述する犠牲層９のドライエッチング工程で、例えばポリイミド膜からなる絶縁部１２がエッチングされないように保護するための部分であり、下部保護部を構成している。

続いて、図２（ｆ）に示すように、犠牲層９及び絶縁膜１４の上に、アルミや金などの導電性材料を用いてスパッタや蒸着方法により、可動する梁であるブリッジ４を厚さ数μｍ程度の薄膜で形成する。

この後、図２（ｇ）に示すように、ブリッジ４のほぼ中央部における信号線３の接点３ａの真上に位置する部分に、アルミや金などの導電性材料を用いてスパッタや蒸着方法により、ブリッジ電極１３を厚さ数μｍ程度の薄膜で形成する。次いで、図２（ｈ）に示すように、ブリッジ電極１３とブリッジ４のつなぎの部分に、例えばポリイミドの有機膜からなる絶縁部１２を、スピンコートや蒸着法を用いて形成する。この場合、有機膜としては、ポリイミドに代えて、ベンゾシクロブタン（ＢＣＢ）、フッ素系ポリマー、または、感光性フォトレジスト等を用いても良い。

次に、図２（ｉ）に示すように、ブリッジ電極１３の上に、ＳｉＯ_２等からなる絶縁膜１５を、スパッタ法で形成する。この絶縁膜１５は、後述する犠牲層９のドライエッチング工程で、ポリイミド膜からなる絶縁部１２がエッチングされないように保護するための部分であり、上部保護部を構成している。

この場合、犠牲層９は有機膜であるため、ブリッジ電極１３の周囲に形成した絶縁部１２の有機膜と、ドライエッチングのエッチング速度が同程度である。これに対して、図２（ｅ）及び図２（ｉ））で形成した絶縁膜１４、１５は、無機膜であり、上記有機膜に比べて、エッチング速度が遅い膜である。これにより、犠牲層９のエッチング時に、絶縁膜１４、１５ひいては絶縁部１２がエッチングされることを防止できる。

この後、図２（ｊ）に示すように、犠牲層９を、ドライエッチングして除去する。そして、図２（ｋ）に示すように、ブリッジ電極１３の上部の無機系の絶縁膜１５を、ドライエッチングして除去する。この場合、ＳｉＯ_２の厚みをコントロールして、静電電極６の上部に設けたことにより、ＳｉＯ_２からなる絶縁膜８が残るように構成している。これにより、ＭＥＭＳスイッチ１１が完成する。

このような構成の本実施例によれば、ブリッジ電極１３とブリッジ４を電気的に絶縁する絶縁部１２を、有機膜で構成したので、絶縁部１２とブリッジ電極１３の密着力を高くすることができ、ＭＥＭＳスイッチ１１の信頼性を向上させることができる。

図３及び図４は、本発明の第２の実施例を示すものである。尚、第１の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第２の実施例では、犠牲層９のエッチング速度を、ブリッジ電極１３とブリッジ４を電気的に絶縁する絶縁部（有機膜）１２のエッチング速度よりも早くするように、即ち、絶縁部１２と犠牲層９のエッチング選択比を大きく設定するように構成した。そして、第１の実施例の保護用の絶縁膜１４、１５を設けないように構成した。

以下、図４に従って、第２の実施例のＭＥＭＳスイッチ１１の製造プロセスについて説明する。尚、各薄膜材料、その厚み、形成方法等は、第１の実施例と同じであるから、説明を省略する。

まず、図４（ａ）に示すように、絶縁基板２上に、信号線３、静電電極６、接地電極ＧＮＤなどを形成する。そして、図４（ｂ）に示すように、静電電極６上に誘電体膜（絶縁膜）８を形成する。続いて、図４（ｃ）に示すように、信号線３の上に接点３ａを形成する。次に、図４（ｄ）に示すように、犠牲層９を形成する。そして、図４（ｅ）に示すように、犠牲層９の上に、ブリッジ電極１３を形成する。

次に、図２（ｆ）に示すように、ブリッジ電極１３の周囲に、例えばポリイミドの有機膜からなる絶縁部１６を形成する。この絶縁部１６は、ブリッジ電極１３とブリッジ４のつなぎの部分の絶縁部である。続いて、図２（ｇ）に示すように、ブリッジ４を形成する。この後、図２（ｈ）に示すように、犠牲層９を、ドライエッチングして除去する。これにより、ＭＥＭＳスイッチ１１が完成する。

この第２の実施例の場合、犠牲層９を例えばレジスト膜（例えばフェノールノボラック樹脂等の感光性の有機樹脂の膜）から形成し、犠牲層９のエッチング速度を、ブリッジ電極１３とブリッジ４を電気的に絶縁する絶縁部（例えばポリイミドの有機膜）１６のエッチング速度よりも早くするように、即ち、絶縁部１６と犠牲層９のエッチング選択比を大きく設定するように構成した。このため、犠牲層９のドライエッチング時に、絶縁部１６がエッチングされて除去されることを防止できる。

これにより、第２の実施例では、第１の実施例の保護用の絶縁膜１４、１５を設けないように構成することができる。従って、第２の実施例によれば、第１の実施例に比べて、ＭＥＭＳスイッチ１１の構成及び製造プロセスを簡単化することができる。

尚、上記第２の実施例では、絶縁部１６と犠牲層９のエッチング選択比を大きく設定するに際して、犠牲層９をレジスト膜で形成し、絶縁部１６をポリイミド膜で形成したが、これに限られるものではなく、絶縁部１６と犠牲層９をエッチング選択比の異なるポリイミド材料の膜で形成しても良い。

また、絶縁部１６と犠牲層９のエッチング選択比を大きく設定することが困難な場合には、絶縁部１６の有機膜の厚さを、犠牲層９の厚さよりも厚く構成しておけば、犠牲層９のエッチング除去後でも、絶縁部１６の有機膜が残っているように構成することが可能である。このように構成しても、第２の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。

図５及び図６は、本発明の第３の実施例を示すものである。尚、第２の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第３の実施例では、例えばポリイミド等の有機膜からなる絶縁部１６の形成面積を大きくして、静電電極６と対向させ且つ覆うように延設する構成とした。そして、第２の実施例において静電電極６の上に形成した誘電体膜（絶縁膜）８を、形成しないように構成した。この構成の場合、静電気力によりブリッジ４が下方へ向けて変形するときに、静電電極６は、絶縁部１６に接触することはあっても、ブリッジ４に接触することはないように構成されている。

尚、上述した以外の第３の実施例の構成は、第２の実施例の構成と同じ構成となっている。従って、第３の実施例においても、第２の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第３の実施例によれば、静電電極６の上に誘電体膜８を形成しないので、誘電体膜８を形成する工程を削減することができる。また、第３の実施例では、絶縁部１６とブリッジ４との接着（密着）面積が大きくなるので、絶縁部１６とブリッジ４の接着強度を高くすることができ、信頼性を向上させることができる。

本発明の第１の実施例を示すＭＥＭＳスイッチの縦断面図 ＭＥＭＳスイッチの製造プロセスを説明する図 本発明の第２の実施例を示す図１相当図 図２相当図 本発明の第３の実施例を示す図１相当図 図２相当図 従来構成を示すもので、（ａ）はＭＥＭＳスイッチの上面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ線に沿う断面図 図２相当図

符号の説明

図面中、１はＭＥＭＳスイッチ、２は絶縁基板、３は信号線、４はブリッジ、５はブリッジ電極、６は静電電極、８は絶縁膜、９は犠牲層、１１はＭＥＭＳスイッチ、１２は絶縁部、１３はブリッジ電極、１４は絶縁膜（下部保護部）、１５は絶縁膜（上部保護部）、１６は絶縁部を示す。

Claims (4)

1. 絶縁基板と、前記絶縁基板上に設けられ分断された信号線と、前記絶縁基板上に前記信号線をまたぐように設けられたブリッジと、前記ブリッジに設けられ前記ブリッジの変形に応じて前記信号線と接触又は開離するブリッジ電極と、前記絶縁基板上に設けられ前記ブリッジを変形させるための静電気力を発生させる静電電極とを備えたＭＥＭＳスイッチにおいて、
   前記ブリッジ電極と前記ブリッジを電気的に絶縁する絶縁部を、有機膜で構成したことを特徴とするＭＥＭＳスイッチ。
2. 前記有機膜は、ポリイミド、ベンゾシクロブタン、フッ素系ポリマー、または、感光性フォトレジスト等から形成されていることを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳスイッチ。
3. 絶縁基板上に信号線と静電電極を形成する工程と、
   前記静電電極上に絶縁膜を形成する工程と、
   前記絶縁基板上に犠牲層を形成する工程と、
   前記犠牲層上に絶縁部の下部保護部を形成する工程と、
   前記犠牲層上にブリッジを形成する工程と、
   前記犠牲層上にブリッジ電極を形成する工程と、
   前記ブリッジ電極の周囲に有機材料を用いた絶縁部を形成する工程と、
   前記絶縁部上に上部保護部を形成する工程と、
   前記犠牲層を除去する工程とを備えてなるＭＥＭＳスイッチの製造方法。
4. 絶縁基板上に信号線と静電電極を形成する工程と、
   前記静電電極上に絶縁膜を形成する工程と、
   前記絶縁基板上に犠牲層を形成する工程と、
   前記犠牲層上にブリッジ電極を形成する工程と、
   前記ブリッジ電極の周囲に有機材料を用いた絶縁部を形成する工程と、
   前記絶縁部の外周部にブリッジを形成する工程と、
   前記犠牲層を除去する工程とを備え、
   前記犠牲層のエッチング速度を、前記絶縁部のエッチング速度よりも早くするように構成したことを特徴とするＭＥＭＳスイッチの製造方法。

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