JP2009245877A - Memsスイッチおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】可動接点と両固定接点との間の寄生容量を低減しつつ、より低消費電力で所望の接圧を確保することが可能なMEMSスイッチおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】構造体部2は、ベース基板1の厚み方向に直交する面内の中央部に可動接点25が設けられ、支持部22が平面視において可動接点25を中心として可動板部21を囲む仮想四角形VSの4つの角それぞれに設けられ、可撓部23が仮想四角形VSの各辺のうち固定接点35,35の並設方向に直交する辺に沿って配置され、可撓部23における支持部22側とは反対側の端部が上記並設方向に沿った連結部28を介して可動板部21と連結され、圧電アクチュエータ4は、可動接点25を中心として4つの可撓部23それぞれの同じ位置に設けられ、静電アクチュエータ5は、上記並設方向において隣り合う可撓部23,23の間に設けられ、圧電アクチュエータ4よりも平面視の面積が大きい。
【選択図】図1

Description

本発明は、MEMS(micro electro mechanical systems)スイッチおよびその製造方法に関するものである。
従来から、高周波信号伝送用のMEMSスイッチとして、静電アクチュエータを利用した静電マイクロリレーが知られている(例えば、特許文献1参照)。
ここにおいて、上記特許文献1に開示されたMEMSスイッチは、図9に示すように、ガラス基板からなるベース基板1’ と、ベース基板1’の厚み方向の一表面側に固定された2つの支持部22’,22’に帯板状の可撓部23’,23’を介して上記厚み方向へ変位可能に支持され可動接点25’が設けられた可動板部21’を有する構造体部2’と、ベース基板1’の上記一表面上に形成され可動接点25’が接離する固定接点35’,35’を有する一対の信号線34’,34’とを備え、可動接点25’が両固定接点35’,35’に近づく向きに可動接点25’を変位させる駆動手段として可動板部21’に設けられた可動電極51’およびベース基板1’の上記一表面上に形成され可動電極51’に対向配置された固定電極52’を有し可動電極51’と固定電極52’との間に電圧を印加したときに可動接点25’が両固定接点35’,35’に近づく向きに可動接点25’を変位させる静電アクチュエータを備えている。なお、図9に示した構成のMEMSスイッチでは、固定電極52’上に、可動電極51’のスティッキングを防止するための絶縁膜53’が形成されている。また、図9に示した構成のMEMSスイッチは、上述の構造体部2’がシリコン基板を用いて形成されている。
また、従来から、静電アクチュエータを利用したMEMSスイッチに比べて低消費電力化が可能な高周波信号伝送用のMEMSスイッチとして、圧電アクチュエータと静電アクチュエータとを併用して可動接点を一対の信号線の固定接点に接離するようにしたMEMSスイッチが提案されている(例えば、特許文献2参照)。
ここにおいて、上記特許文献2に開示されたMEMSスイッチは、図10に示すように、ガラス基板からなるベース基板101と、ベース基板101の厚み方向の一表面側に形成され固定接点135,135を有する一対の信号線134,134と、ベース基板101の上記一表面側に固定された支持部122に支持され先端部に両固定接点135,135それぞれに接離する2個ずつの可動接点125,125が形成された可撓部104とを備え、可撓部104が、下部電極141、AlN層からなる下部圧電層142a、中間電極144、AlN層からなる上部圧電層142b、上部電極143の積層構造を有するバイモルフ型の圧電アクチュエータにより構成されており、下部電極141のうち可撓部104の先端部に形成され固定接点135,135に対向する部位が静電アクチュエータの可動電極を兼ね、固定接点135,135が静電アクチュエータの固定電極を兼ねている。
特許第3852224号公報 特開2008−27812号公報
ところで、図9に示した構成のMEMSスイッチでは、可動接点25’と両固定接点35’,35’との間の距離を大きくして寄生容量を低減することでアイソレーション特性を向上できるが、所望の接圧を確保するために必要な駆動電圧が大きくなり、消費電力が増加してしまう。
これに対して、図10に示した構成のMEMSスイッチでは、駆動手段として圧電アクチュエータと静電アクチュエータとを併用しており、圧電アクチュエータによる駆動では静電アクチュエータに比べて低電圧で可動接点125を大きく変位させることができ、静電アクチュエータによる駆動により所望の接圧を確保することができるので、アイソレーション特性の向上を図りながらも低消費電力化を図ることができる。
しかしながら、図10に示した構成のMEMSスイッチでは、ベース基板101の上記一表面側に固定された支持部122に支持された可撓部104が圧電アクチュエータを構成し、当該圧電アクチュエータの下部電極141のうち可撓部104の先端部に形成され固定接点135,135に対向する部位が静電アクチュエータの可動電極を兼ね、固定接点135,135が静電アクチュエータの固定電極を兼ねているので、可動電極と固定電極との面積を大きくすることが難しく、低消費電力化が制限されてしまう。また、図10に示した構成のMEMSスイッチでは、上述の可撓部104が支持部122に支持されているので、固定電極の有効な形成位置が可撓部104の先端部に対向する部位に限られ、固定電極の面積が制限され、所望の静電力を得ることが難しく、接圧を大きくすることができなかった。また、図10に示した構成のMEMSスイッチでは、圧電アクチュエータによる駆動時と静電アクチュエータによる駆動時のいずれも支持部122に支持された可撓部104が変形するだけなので、所望の接圧を確保するための駆動電圧が大きくなってしまう。
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、可動接点と両固定接点との間の寄生容量を低減しつつ、より低消費電力で所望の接圧を確保することが可能なMEMSスイッチおよびその製造方法を提供することにある。
請求項1の発明は、ベース基板と、ベース基板の厚み方向の一表面側に固定された支持部に帯板状の可撓部を介して前記厚み方向へ変位可能に支持され可動接点が設けられた可動板部を有する構造体部と、前記厚み方向において可動接点から離間して配置され可動接点が接離する固定接点を有する一対の信号線と、可動接点が両固定接点に近づく向きに可動接点を変位させる駆動手段とを備え、駆動手段は、可撓部に設けられてなり圧電層の厚み方向の両側の電極間に電圧を印加したときに可動接点が両固定接点に近づく向きに変位するように可撓部を変形させる圧電アクチュエータと、可動板部に設けられた可動電極および当該可動電極に対向配置された固定電極を有し可動電極と固定電極との間に電圧を印加したときに可動接点が両固定接点に近づく向きに可動接点を変位させる静電アクチュエータとを備え、構造体部は、ベース基板の前記厚み方向に直交する面内の中央部に可動接点が設けられ、支持部が平面視において可動接点を中心として可動板部を囲む仮想四角形の4つの角それぞれに設けられ、可撓部が前記仮想四角形の各辺のうち固定接点の並設方向に直交する辺に沿って配置され、可撓部における支持部側とは反対側の端部が前記並設方向に沿って形成された連結部を介して可動板部と連結され、圧電アクチュエータは、可動接点を中心として4つの可撓部それぞれの同じ位置に設けられ、静電アクチュエータは、可動板部において可動接点を中心として固定接点の並設方向に直交する方向の両側の同じ位置で、前記並設方向において隣り合う可撓部の間に設けられ、圧電アクチュエータよりも平面視における面積が大きいことを特徴とする。
この発明によれば、構造体部は、ベース基板の前記厚み方向に直交する面内の中央部に可動接点が設けられ、支持部が平面視において可動接点を中心として可動板部を囲む仮想四角形の4つの角それぞれに設けられ、可撓部が前記仮想四角形の各辺のうち固定接点の並設方向に直交する辺に沿って配置され、可撓部における支持部側とは反対側の端部が前記並設方向に沿って形成された連結部を介して可動板部と連結され、圧電アクチュエータは、可動接点を中心として4つの可撓部それぞれの同じ位置に設けられ、静電アクチュエータは、可動板部において可動接点を中心として固定接点の並設方向に直交する方向の両側の同じ位置で、前記並設方向において隣り合う可撓部の間に設けられ、圧電アクチュエータよりも平面視における面積が大きいので、所望の接圧を確保するための静電アクチュエータの駆動電圧をより一層低減でき、可動接点と両固定接点との間の寄生容量を低減しつつ、より低消費電力で所望の接圧を確保することが可能となる。また、この発明によれば、可動板部が支持部から離れているので、可動電極および固定電極の面積を大きくでき、静電アクチュエータによる駆動時の静電力を大きくでき、接圧を大きくすることができる。また、この発明によれば、圧電アクチュエータと静電アクチュエータとが別々に設けられているので、圧電アクチュエータおよび静電アクチュエータそれぞれで別の動きが可能となり、駆動手段の動きの自由度の高いMEMSスイッチとすることができる。
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記各信号線と前記圧電アクチュエータの前記各電極とが電気的に絶縁されてなることを特徴とする。
この発明によれば、前記各信号線に前記圧電アクチュエータの前記各電極からノイズが重畳されるのを防止することができる。
請求項3の発明は、請求項1または請求項2の発明において、前記各信号線と前記静電アクチュエータの前記可動電極および前記固定電極とが電気的に絶縁されてなることを特徴とする。
この発明によれば、前記各信号線に前記静電アクチュエータの前記可動電極および前記固定電極からノイズが重畳されるのを防止することができる。
請求項4の発明は、請求項1ないし請求項3の発明において、前記圧電アクチュエータと前記静電アクチュエータとに共通のグランド電極を有することを特徴とする。
この発明によれば、前記駆動手段の制御が容易になる。
請求項5の発明は、請求項1ないし請求項4の発明において、前記圧電アクチュエータは、前記圧電層が鉛系圧電材料により形成されてなることを特徴とする。
この発明によれば、前記圧電層の圧電材料としてAlNやZnOなど採用する場合に比べて圧電定数が大きいので、接圧を大きくできる。
請求項6の発明は、請求項1ないし請求項5の発明において、前記可動板部は、前記可動接点が形成された可動接点基台部と前記可動電極が形成された可動電極基台部との間に前記固定接点の並設方向の幅が可動接点基台部および可動電極基台部に比べて細幅の接圧ばね部が設けられてなることを特徴とする。
この発明によれば、可動接点基台部が接圧ばね部を介して可動電極基台部に支持されていることにより、接圧ばね部のばね力を適宜設定することによって所望の接圧を得ることができて前記可動接点と前記両固定接点との接触信頼性を向上させることができる。
請求項7の発明は、請求項1ないし請求項6の発明において、前記可動板部は、前記各信号線の前記固定接点以外の部位を平面視において露出させる切欠部が形成されてなることを特徴とする。
この発明によれば、前記可動電極と前記各信号線との容量結合を抑制することができ、アイソレーション特性を向上させることができる。
請求項8の発明は、請求項1ないし請求項7の発明において、前記各信号線および前記固定電極は、前記ベース基板に設けられてなり、前記各信号線は、前記ベース基板の同一平面上に同一厚さで形成されてなることを特徴とする。
この発明によれば、高周波信号の伝送損失を低減できる。
請求項9の発明は、請求項1ないし請求項7の発明において、前記ベース基板の前記一表面側に前記構造体部を収納する凹所が形成されたカバー基板が接合されてなり、前記各信号線および前記固定電極は、前記カバー基板の前記凹所の内底面に形成されてなることを特徴とする。
この発明によれば、前記各信号線に前記圧電アクチュエータの前記各電極や前記静電アクチュエータの前記可動電極からノイズが重畳されるのを防止することができる。
請求項10の発明は、請求項8記載のMEMSスイッチの製造方法であって、ベース基板の前記一表面上に固定電極を形成する固定電極形成工程と、固定電極形成工程の後でベース基板の前記一表面上に固定接点を有する一対の信号線を形成する信号線形成工程と、信号線形成工程の後でベース基板の前記一表面側に構造体部形成用の犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、犠牲層形成工程の後でベース基板の前記一表面側に可動電極を形成する可動電極形成工程と、可動電極形成工程の後で可動接点を形成する可動接点形成工程と、可動接点形成工程の後で構造体部を形成する構造体部形成工程と、構造体部形成工程の後で圧電アクチュエータの一方の電極を形成する第1の電極形成工程と、第1の電極形成工程の後で圧電層を形成する圧電層形成工程と、圧電層形成工程の後で圧電アクチュエータの他方の電極を形成する第2の電極形成工程と、第2の電極形成工程の後で犠牲層を除去する犠牲層除去工程とを備えることを特徴とする。
この発明によれば、可動接点と両固定接点との間の寄生容量を低減しつつ、より低消費電力で所望の接圧を確保することが可能なMEMSスイッチを提供することができる。
請求項11の発明は、請求項9記載のMEMSスイッチの製造方法であって、ベース基板の一表面側に構造体部形成用の犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、犠牲層形成工程の後でベース基板の前記一表面側に構造体部を形成する構造体部形成工程と、構造体部形成工程の後で圧電アクチュエータの一方の電極である下部電極および可動電極を形成する第1の電極形成工程と、第1の電極形成工程の後で圧電層を形成する圧電層形成工程と、圧電層形成工程の後で圧電アクチュエータの他方の電極である上部電極を形成する第2の電極形成工程と、第2の電極形成工程の後で構造体部上に可動接点を形成する可動接点形成工程と、可動接点形成工程の後で犠牲層を除去する犠牲層除去工程と、犠牲層除去工程の後で固定接点を有する一対の信号線および固定電極が形成されているカバー基板をベース基板の前記一表面側に接合する接合工程とを備えることを特徴とする。
この発明によれば、可動接点と両固定接点との間の寄生容量を低減しつつ、より低消費電力で所望の接圧を確保することが可能なMEMSスイッチを提供することができる。また、ベース基板の前記一表面側に圧電アクチュエータを形成した後に可動接点を形成するので、圧電アクチュエータの圧電層の成膜温度に左右されることなく可動接点の材料を選択できるので、可動接点の材料の選択の自由度が高くなる。
請求項1の発明では、所望の接圧を確保するための静電アクチュエータの駆動電圧をより一層低減でき、可動接点と両固定接点との間の寄生容量を低減しつつ、より低消費電力で所望の接圧を確保することが可能となるという効果がある。
請求項10,11の発明では、可動接点と両固定接点との間の寄生容量を低減しつつ、より低消費電力で所望の接圧を確保することが可能なMEMSスイッチを提供することができるという効果がある。
(実施形態1)
以下、本実施形態のMEMSスイッチについて図1および図2を参照しながら説明する。
本実施形態のMEMSスイッチは、矩形板状のベース基板1と、ベース基板1の厚み方向の一表面側に固定された4つの支持部22それぞれに帯板状の可撓部23を介して上記厚み方向へ変位可能に支持され可動接点25が設けられた可動板部21を有する構造体部2と、ベース基板1の上記一表面上に設けられ可動接点25が接離する固定接点35,35を有する一対の信号線34,34と、ベース基板1の上記一表面側に可動板部2を収納する形で気密的に接合されたカバー7とを備えている。要するに、固定接点35,35は、ベース基板1の厚み方向に可動接点25から離間して配置されている。
また、本実施形態のMEMSスイッチは、可動接点25が両固定接点35,35に近づく向きに可動接点25を変位させる駆動手段として、可撓部23に設けられてなり圧電層42の厚み方向の両側の電極41,43間に電圧を印加したときに可動接点25が両固定接点35,35に近づく向き変位するように可撓部23を変形させる圧電アクチュエータ4と、可動板部2に設けられた可動電極51および当該可動電極51に対向配置された固定電極52を有し可動電極51と固定電極52との間に電圧を印加したときに可動接点25が両固定接点35,35に近づく向きに可動接点25を変位させる静電アクチュエータ5とを備えている。
上述のベース基板1は、セラミック基板により構成されており、上記一表面上に各信号線34,34および静電アクチュエータ5の固定電極52が形成されている。ここにおいて、本実施形態では、固定電極52がグランド電極を兼ねている。なお、ベース基板1は、セラミック基板に限らず、例えば、ガラス基板、SOI基板、シリコン基板などを用いて形成してもよく、基板材料として誘電率の高い材料を採用することが好ましい。
ベース基板1は、上記一表面の中央部において上述の一対の信号線34,34が一直線上に形成されている。ここで、各固定接点35,35は、各信号線34,34と同じ金属材料により同一厚みに形成されている。要するに、各固定接点35,35は、各信号線34,34と連続一体に形成されている。
各固定接点35,35および各信号線34,34の材料としては、Auを採用しているが、Auに限らず、例えば、Au,Ni,Cu,Pd,Rh,Ru,Pt,Ir,Osの群から選択される1種あるいはこれらの合金を採用してもよい。
圧電アクチュエータ4は、圧電層42の圧電材料として、鉛系圧電材料の一種であるPZTを採用し、圧電層42の厚み方向の両側の電極41,43のうち可撓部23の厚み方向において可撓部23に近い側の電極(以下、下部電極と称する)41の材料として、Ptを採用し、可撓部23から遠い側の電極(以下、上部電極と称する)43の材料としてAuを採用しているが、これらの材料は特に限定するものではない。ここで、圧電アクチュエータ4は、上部電極43と圧電層42との接触面積を規定する開口部44aを有する絶縁膜44が形成されており、上部電極41および絶縁膜44は可撓部23におけるベース基板1側とは反対の表面に沿ってベース基板1の上記一表面上まで延設され、上述の支持部22を補強している。なお、絶縁膜44は、シリコン酸化膜により構成されているが、シリコン酸化膜に限らず、例えば、シリコン窒化膜や、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜により構成してもよい。
圧電層42の圧電材料は、鉛系圧電材料であれば、PZTに限らず、例えば、PZTに不純物を添加したものや、PMN−PZTなどを採用してもよい。また、圧電層42の圧電材料は、鉛系圧電材料に限らず、例えば、鉛フリーのKNN(K0.5Na0.5NbO)や、KN(KNbO)、NN(NaNbO)、KNNに不純物(例えば、Li,Nb,Ta,Sb,Cuなど)を添加したものでもよい。ここで、圧電層42の圧電材料として、上述の鉛系圧電材料や、KNN,KN,NNなどを採用すれば、AlNやZnOなど採用する場合に比べて圧電定数が大きいので、接圧を大きくすることができる。また、圧電層42の材料として、KNN,KN,NNなどを採用すれば、鉛フリーになるので、環境負荷を低減できる。なお、本実施形態の圧電アクチュエータ4は、ユニモルフ型であるが、バイモルフ型としてもよい。
一方、静電アクチュエータ5は、可動板部21の可動電極基台部26に設けられた上述の可動電極51と、ベース基板1の上記一表面側において可動電極51に対向する部位に設けられた固定電極52とを備えており、可動電極51と固定電極52との間に電圧を印加したときに可動電極51と固定電極52との間に発生する静電力によって両固定接点35,35に近づく向きに可動接点25を変位させる。ここにおいて、可動電極51は、可撓部23におけるベース基板1側の面に沿ってベース基板1の上記一表面上まで延設されており、支持部22を補強している。また、可動電極51は、可撓部23の厚み方向に貫設されたビア46を介して圧電アクチュエータ4の下部電極41と電気的に接続されている。また、ベース基板1の上記一表面側には、可動電極51が固定接点52に付着するスティッキングを防止するために固定電極52を覆う絶縁膜53が形成されている。なお、固定電極52の材料としては、Auを採用し、可動電極51の材料としては、Ptを採用しているが、これらの材料は特に限定するものではない。また、絶縁膜53は、シリコン酸化膜により構成しているが、シリコン酸化膜に限らず、例えば、シリコン窒化膜でもよい。
ところで、ベース基板1は、各信号線34、静電アクチュエータ5の固定電極52、静電アクチュエータ5の可動電極51、および圧電アクチュエータ4の上部電極43それぞれが電気的に接続される貫通孔配線14,12,11,13が厚み方向に貫設されており、厚み方向の他表面側に、各貫通孔配線14,12,11,13それぞれが電気的に接続される外部接続用電極114,112,111,113が形成されている。ここにおいて、本実施形態では、上述のように圧電アクチュエータ4の下部電極41が可撓部23の厚み方向に貫設されたビア46を介して静電アクチュエータ5の可動電極51と電気的に接続されているが、ビア46を設けずに下部電極41をベース基板1の上記一表面上まで延設し、下部電極41と可動電極51とを各別の貫通孔配線を介して外部接続用電極と電気的に接続するようにしてもよい。なお、各貫通孔配線14,12,11,13の材料としては、Auを採用しているが、Auに限らず、例えば、Cu,Niなどを採用してもよい。また、各外部接続用電極114,112,111,113の材料としては、Auを採用しているが、Auに限らず、例えば、Cu,Cr,Ptなどを採用してもよい。
また、ベース基板1は、厚み方向の中間に所定パターンの埋込グランド電極15が形成されており、グランド電極を兼ねる固定電極52が上述の貫通孔配線12により埋込グランド電極15と電気的に接続されている。なお、各信号線34は、固定接点35が形成された側とは反対側の端部が貫通孔配線14を介して外部接続用電極114と電気的に接続されている。
また、可動板部21は、可動接点25が形成された可動接点基台部24と可動電極51が形成された可動電極基台部26との間に一対の固定接点35,35の並設方向の幅が可動接点基台部24および可動電極基台部26に比べて細幅の2つの接圧ばね部27が設けられている。可動板部21および各可撓部23および各支持部22を備えた構造体部2は、ノンドープのポリシリコンにより形成されているが、構造体部2の材料はノンドープのポリシリコンに限らず、例えば、SiやSiOなどを採用してもよい。
ところで、上述の構造体部2は、ベース基板1の上記厚み方向に直交する面内の中央部に可動接点25が設けられ、支持部22が平面視において可動接点25を中心として可動板部21を囲む仮想四角形VS(図1(b)参照)の4つの角それぞれに設けられ、可撓部23が仮想四角形VSの各辺のうち固定接点35,35の並設方向に直交する辺に沿って配置され、可撓部23における支持部22側とは反対側の端部が上記並設方向に沿って形成された連結部28を介して可動板部21と連結され、圧電アクチュエータ4は、可動接点25を中心として4つの可撓部23それぞれの同じ位置に設けられ、静電アクチュエータ5は、可動板部21において可動接点25を中心として固定接点35,35の上記並設方向に直交する方向の両側の同じ位置で、上記並設方向において隣り合う可撓部23,23の間に設けられ、圧電アクチュエータ4よりも平面視における面積が大きくなっている。ここにおいて、本実施形態のMEMSスイッチは、2つ1組の可撓部23により1つの可動電極基台部26を支持している。更に説明すれば、本実施形態のMEMSスイッチは、各可動電極基台部26の平面視形状が長方形状であり、4つの帯板状の可撓部23が、可動電極基台部26の長手方向の両側縁に沿って配置され、可撓部23の支持部22側とは反対側の端部が連結部28を介して可動電極基台部26に連結されている。また、可動板部21は、各信号線34,34の固定接点35,35以外の部位を平面視において露出させる切欠部21b,21bが形成されている。
また、カバー7は、矩形板状の絶縁性基板(例えば、ガラス基板、セラミック基板など)を用いて形成されており、ベース基板1側に、可動板部2を収納する凹所7aが形成され、凹所7aの周部がベース基板1の上記一表面側に気密的に接合されている。したがって、可動接点51と両固定接点35,35との間に異物が侵入するのを防止できて可動接点51と両固定接点35,35との接触信頼性を向上させることができる。
ここにおいて、ベース基板1の上記一表面の周部には全周に亘って第1の接合用金属層18が形成され、カバー7におけるベース基板1側の表面(凹所7aの周部)には全周に亘って第2の接合用金属層78が形成されており、ベース基板1とカバー7とは接合用金属層18,78同士が接合されている。ここにおいて、各接合用金属層18,78の材料としては、固定電極52と同じ材料(ここでは、Au)を採用しており、ベース基板1の上記一表面側には固定電極52と第1の接合用金属層18とを電気的に接続する連絡用金属層19が固定電極52および第1の接合用金属層18と連続一体に形成されている。
なお、ベース基板1とカバー7との接合方法としては、接合前に互いの接合表面へアルゴンのプラズマ若しくはイオンビーム若しくは原子ビームを真空中で照射して各接合表面の清浄化・活性化を行ってから、接合表面同士を接触させ、常温下で直接接合する常温接合法を採用しているが、常温接合法に限らず、AuSnや半田などの低融点共晶材料を用いた接合法や、陽極接合法などを採用してもよい。
以上説明したMEMSスイッチをプリント基板のような実装基板に実装する際には、例えば、ベース基板1の上記他表面側の各外部接続用電極111〜113それぞれを上記実装基板の一表面側に形成された導体パターンとバンプなどを介して適宜接続すればよい。
以下、本実施形態のMEMSスイッチの製造方法について図3および図4を参照しながら説明する。
まず、埋込グランド電極15、各貫通孔配線11〜14、および各外部接続用電極111〜114を形成したベース基板1の上記一表面上に固定電極52を形成する固定電極形成工程を行うことによって、図3(a)に示す構造を得る。ここにおいて、固定電極形成工程では、ベース基板1の上記一表面上に固定電極52の基礎となる金属層をスパッタ法や蒸着法などにより成膜してから、当該金属層をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングすることにより、各固定電極52、第1の接合用金属層18(図1参照)、各連絡用金属層19(図1参照)を形成している。
固定電極形成工程の後、ベース基板1の上記一表面上に固定接点35,35を有する一対の信号線34,34を形成する信号線形成工程を行うことによって、図3(b)に示す構造を得る。ここにおいて、信号線形成工程では、例えば、ベース基板1の上記一表面側に各信号線34の形成予定領域が露出するようにパターニングされたレジスト層を形成してから、ベース基板1の上記一表面側に各信号線34,34を無電解めっき法などにより形成し、その後、レジスト層および当該レジスト層上のめっき膜(金属皮膜)を除去するリフトオフを行っている。
信号線形成工程の後、ベース基板1の上記一表面側に、固定電極52を覆うスティッキング防止用の絶縁膜53を形成するスティキング防止用絶縁膜形成工程を行うことによって、図3(c)に示す構造を得る。ここにおいて、スティッキング防止用絶縁膜形成工程では、ベース基板1の上記一表面側の全面に絶縁膜53の基礎となる絶縁層をスパッタ法やCVD法などによって成膜してから、当該絶縁層をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングすることにより、絶縁膜53を形成している。
スティッキング防止用絶縁膜形成工程の後、ベース基板1の前記一表面側の全面に構造体部形成用の犠牲層61を形成する犠牲層形成工程を行うことによって、図3(d)に示す構造を得る。なお、犠牲層61の材料としてはポリイミドを採用している。
犠牲層形成工程の後、ベース基板1の上記一表面側に可動電極51を形成する可動電極形成工程を行うことによって、図3(e)に示す構造を得る。ここにおいて、可動電極形成工程では、ベース基板1の上記一表面側に可動電極51の形成予定領域が露出するようにパターニングされたレジスト層を形成してから、ベース基板1の上記一表面側に各可動電極51を無電解めっき法などにより形成し、その後、レジスト層および当該レジスト層上のめっき膜(金属皮膜)を除去するリフトオフを行っている。
可動電極形成工程の後、可動接点25を形成する可動接点形成工程を行うことによって、図3(f)に示す構造を得る。ここにおいて、可動接点形成工程では、ベース基板1の上記一表面側に可動接点25の形成予定領域が露出するようにパターニングされたレジスト層を形成してから、ベース基板1の上記一表面側に可動接点25を無電解めっき法などにより形成し、その後、レジスト層および当該レジスト層上のめっき膜(金属皮膜)を除去するリフトオフを行っている。
可動接点形成工程の後で構造体部2を形成する構造体部形成工程を行うことによって、図4(a)に示す構造を得る。ここにおいて、構造体部形成工程では、ベース基板1の上記一表面側の全面に構造体部2の基礎となるノンドープのポリシリコン層をCVD法などによって成膜してから、当該ポリシリコン層をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングすることにより、可動板部21、各可撓部23および各支持部22を有する構造体部2を形成するとともにビア46用のビアホール47を形成している。
構造体部形成工程の後、下部電極41を形成する第1の電極形成工程を行うことによって、図4(b)に示す構造を得る。ここにおいて、第1の電極形成工程では、ベース基板1の上記一表面側の全面に下部電極41の基礎となる金属層(例えば、Pt層など)をスパッタ法などによって成膜してから、当該金属層をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングすることにより、下部電極41およびビア46を形成している。
下部電極形成工程の後、圧電層42を形成する圧電層形成工程を行うことによって、図4(c)に示す構造を得る。圧電層形成工程では、圧電層42の基礎となる圧電材料層(例えば、PZT層など)をスパッタ法やCVD法などにより成膜してから、当該圧電材料層をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングすることにより、圧電層42を形成している。
圧電層形成工程の後、圧電層42と上部電極43との接触面積を規定するための開口部44aを有する絶縁膜44を形成する絶縁膜形成工程を行うことによって、図4(d)に示す構造を得る。ここにおいて、絶縁膜形成工程では、ベース基板1の上記一表面側に絶縁膜44の形成予定領域が露出するようにパターニングされたレジスト層を形成してから、ベース基板1の上記一表面側に絶縁膜44をCVD法などにより形成し、その後、レジスト層および当該レジスト層上の絶縁膜を除去するリフトオフを行っている。
絶縁膜形成工程の後、上部電極43を形成する第2の電極形成工程を行うことによって、図4(e)に示す構造を得る。ここにおいて、第2の電極形成工程では、ベース基板1の上記一表面側の全面に上部電極43の基礎となる金属層(例えば、Au層など)を蒸着法などによって成膜してから、当該金属層をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングすることにより、上部電極43を形成している。なお、本実施形態では、第1の電極形成工程と圧電層形成工程と第2の電極形成工程とで圧電アクチュエータ4の一方の電極(下部電極)41、圧電層42、他方の電極(上部電極)43を順次形成する圧電アクチュエータ形成工程を構成している。
第2の電極形成工程の後、犠牲層61を選択的に除去する犠牲層除去工程を行うことによって、可動接点25と固定接点35,35との間に第1の規定距離のギャップが形成されるとともに可動電極51とスティキング防止用絶縁膜53との間に第2の規定距離のギャップが形成された図4(f)に示す構造が得られる。ここにおいて、第1の規定距離および第2の規定距離は、犠牲層61の厚みによって決めることができ、可動接点25と固定接点35,35との間の寄生容量を低減するためには、第1の規定距離が長い方が好ましい。
犠牲層除去工程の後、ベース基板1とカバー7とを接合する接合工程を行うことによって、図1および図2に示す構造のMEMSスイッチが得られる。
以上説明した本実施形態のMEMSスイッチによれば、可動接点25が両固定接点35,35に近づく向きに可動接点25を変位させる駆動手段として、可撓部23に設けられてなり圧電層42の厚み方向の両側の電極41,43間に電圧を印加したときに可動接点25が両固定接点35,35に近づく向きに変位するように可撓部23を変形させる圧電アクチュエータ4と、可動板部2に設けられた可動電極51および当該可動電極51に対向配置された固定電極52を有し可動電極51と固定電極52との間に電圧を印加したときに可動接点25が両固定接点35,35に近づく向きに可動接点25を変位させる静電アクチュエータ5とを備えていることにより、可動接点25が両固定接点35,35から上記第1の規定距離だけ離れた状態から可動接点25を両固定接点35,35に接触する状態に変位させる際に、圧電アクチュエータ4による駆動力で可動接点25を両固定接点35,35に近づけた後で、静電アクチュエータ5による駆動力で可動接点25を両固定接点35,35に接触させるようにすれば、上記第1の規定距離を長くすることで可動接点25と両固定接点35,35との間の寄生容量を低減してアイソレーション特性を向上させながらも、低消費電力化を図れる。
ここにおいて、本実施形態のMEMSスイッチでは、構造体部2は、ベース基板1の上記厚み方向に直交する面内の中央部に可動接点25が設けられ、支持部22が平面視において可動接点25を中心として可動板部21を囲む仮想四角形VSの4つの角それぞれに設けられ、可撓部23が仮想四角形VSの各辺のうち固定接点35,35の並設方向に直交する辺に沿って配置され、可撓部23における支持部22側とは反対側の端部が上記並設方向に沿って形成された連結部28を介して可動板部21と連結され、圧電アクチュエータ4は、可動接点25を中心として4つの可撓部23それぞれの同じ位置に設けられ、静電アクチュエータ5は、可動板部21において可動接点25を中心として固定接点35,35の並設方向に直交する方向の両側の同じ位置で、上記並設方向において隣り合う可撓部23,23の間に設けられ、圧電アクチュエータ4よりも平面視における面積が大きいので、所望の接圧を確保するための静電アクチュエータ5の駆動電圧をより一層低減でき、可動接点25と両固定接点35,35との間の寄生容量を低減しつつ、より低消費電力で所望の接圧を確保することが可能となる。また、本実施形態のMEMSスイッチでは、可動板部21が支持部22から離れているので、可動電極51および固定電極52の面積を大きくでき、静電アクチュエータ5による駆動時の静電力を大きくでき、接圧を大きくすることができる。また、本実施形態のMEMSスイッチによれば、圧電アクチュエータ4と静電アクチュエータ5とが別々に設けられているので、圧電アクチュエータ4および静電アクチュエータ5それぞれで別の動きが可能となり、駆動手段の動きの自由度の高いMEMSスイッチとすることができる。
また、本実施形態のMEMSスイッチでは、各信号線34,34と圧電アクチュエータ4の各電極41,43とが電気的に絶縁されているので、各信号線34,34に圧電アクチュエータ4の各電極41,43からノイズが重畳されるのを防止することができ、各信号線34,34と静電アクチュエータ5の可動電極51および固定電極52とが電気的に絶縁されているので、各信号線34,34に静電アクチュエータ5の可動電極51および固定電極52からノイズが重畳されるのを防止することができる。
また、本実施形態のMEMSスイッチは、静電アクチュエータ5の可動電極51が圧電アクチュエータ4の下部電極41と電気的に接続されるとともにグランド電極を兼ねており、圧電アクチュエータ4と静電アクチュエータ5とに共通のグランド電極を有しているので、圧電アクチュエータ4と静電アクチュエータ5とを併用する駆動手段の制御が容易になる。
また、本実施形態のMEMSスイッチでは、可動板部21は、可動接点25が形成された可動接点基台部24と可動電極51が形成された可動電極基台部26との間に固定接点35,35の並設方向の幅が可動接点基台部24および可動電極基台部26に比べて細幅の接圧ばね部27が設けられているので、可動接点基台部24が接圧ばね部27を介して可動電極基台部26に支持されていることにより、接圧ばね部27のばね力を適宜設定することによって所望の接圧を得ることができて可動接点25と両固定接点35,35との接触信頼性を向上させることができる。
また、本実施形態のMEMSスイッチでは、可動板部21は、各信号線34,34の固定接点35,35以外の部位を平面視において露出させる切欠部21b,21bが形成されているので、可動電極51と各信号線34,34との容量結合を抑制することができ、アイソレーション特性を向上させることができる。
また、本実施形態のMEMSスイッチでは、各信号線34,34および固定電極52がベース基板1に設けられ、各信号線34,34がベース基板1の同一平面上に同一厚さで形成されているので、インピーダンスマッチングが良く、高周波信号の伝送損失を低減できて良好な高周波特性を得ることができる。
(実施形態2)
本実施形態のMEMSスイッチの基本構成は実施形態1と略同じであって、図5および図6に示すように、固定接点35を有する各信号線34および各固定電極51が、カバー基板7の凹所7aの内底面に形成され、可動板部21におけるベース基板1側とは反対側に可動接点25および各可動電極52が形成されている点などが相違する。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
しかして、本実施形態のMEMSスイッチによれば、各信号線34,34に圧電アクチュエータ4の各電極41,43や静電アクチュエータ5の可動電極51からノイズが重畳されるのを防止することができる。
以下、本実施形態のMEMSスイッチの製造方法について図7および図8に基づいて説明するが、実施形態1と同様の工程については説明を適宜省略する。
まず、ベース基板1の上記一表面上に第1の接合用金属層18を形成する接合用金属層形成工程を行ってから、ベース基板1の上記一表面側に構造体部2を形成するための犠牲層61を形成する犠牲層形成工程を行うことによって、図7(a)に示す構造を得る。
犠牲層形成工程の後、ベース基板1の上記一表面側に構造体部2を形成する構造体部形成工程を行うことによって、図7(b)に示す構造を得る。ここにおいて、構造体部形成工程では、ベース基板1の上記一表面側の全面に構造体部2の基礎となるノンドープのポリシリコン層をCVD法などによって成膜してから、当該ポリシリコン層をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングすることにより、可動板部21、各可撓部23、および各支持部22を有する構造体部2を形成している。
構造体部形成工程の後、下部電極41を形成する第1の電極形成工程を行うことによって、図7(c)に示す構造を得る。ここにおいて、第1の電極形成工程では、ベース基板1の上記一表面側の全面に下部電極41の基礎となる金属層(例えば、Pt層など)をスパッタ法などによって成膜してから、当該金属層をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングすることにより、下部電極41および静電アクチュエータ5の可動電極51を形成している。
第1の電極形成工程の後、圧電層42を形成する圧電層形成工程を行うことによって、図7(d)に示す構造を得る。圧電層形成工程では、圧電層42の基礎となる圧電材料層(例えば、PZT層など)をスパッタ法やCVD法などにより成膜してから、当該圧電材料層をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングすることにより、圧電層42を形成している。
圧電層形成工程の後、圧電層42と上部電極43との接触面積を規定するための開口部44aを有する絶縁膜44を形成する絶縁膜形成工程を行うことによって、図8(a)に示す構造を得る。
絶縁膜形成工程の後、上部電極43を形成する第2の電極形成工程を行うことによって、図8(b)に示す構造を得る。なお、本実施形態では、第1の電極形成工程と圧電層形成工程と第2の電極形成工程とで圧電アクチュエータ4の一方の電極(下部電極)41、圧電層42、他方の電極(上部電極)43を順次形成する圧電アクチュエータ形成工程を構成している。
第2の電極形成工程の後、ベース基板1の上記一表面側に可動接点25を形成する可動接点形成工程を行うことによって、図8(c)に示す構造を得る。ここにおいて、可動接点形成工程では、ベース基板1の上記一表面側に可動接点25の形成予定領域が露出するようにパターニングされたレジスト層を形成してから、ベース基板1の上記一表面側に可動接点25を無電解めっき法などにより形成し、その後、レジスト層および当該レジスト層上のめっき膜(金属皮膜)を除去するリフトオフを行っている。
可動接点形成工程の後、犠牲層61を選択的に除去する犠牲層除去工程を行うことによって、構造体部2の可動接点基台部24、接圧ばね部27、可動接点基台部26および可撓部23とベース基板1の上記一表面との間にギャップが形成された図8(d)に示す構造が得られる。
犠牲層除去工程の後で各信号線34,34および固定電極52などが形成されているカバー基板7をベース基板1の上記一表面側に接合する接合工程を行うことによって、図5および図6に示す構造のMEMSスイッチが得られる。
以上説明した製造方法によれば、ベース基板1の上記一表面側に圧電アクチュエータ4を形成した後に可動接点25を形成するので、圧電アクチュエータ4の圧電層42の成膜温度に左右されることなく可動接点25の材料を選択できるので、可動接点25の材料の選択の自由度が高くなる。
実施形態1のMEMSスイッチを示し、(a)は概略分解斜視図、(b)は要部概略平面図である。 同上のMEMSスイッチの概略断面図である。 同上のMEMSスイッチの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上のMEMSスイッチの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 実施形態2のMEMSスイッチの概略分解斜視図である。 同上のMEMSスイッチの概略断面図である。 同上のMEMSスイッチの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上のMEMSスイッチの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 従来例のMEMSスイッチの概略分解斜視図である。 他の従来例のMEMSスイッチを示し、(a)は概略平面図、(b)は概略断面図である。
符号の説明
1 ベース基板
2 構造体部
4 圧電アクチュエータ
5 静電アクチュエータ
7 カバー
7a 凹所
21 可動板部
21b 切欠部
22 支持部
23 可撓部
24 可動接点基台部
25 可動接点
26 可動電極基台部
27 接圧ばね部
28 連結部
34 信号線
35 固定接点
41 電極(下部電極)
42 圧電層
43 電極(上部電極)
51 可動電極
52 固定電極
VS 仮想四角形

Claims (11)

  1. ベース基板と、ベース基板の厚み方向の一表面側に固定された支持部に帯板状の可撓部を介して前記厚み方向へ変位可能に支持され可動接点が設けられた可動板部を有する構造体部と、前記厚み方向において可動接点から離間して配置され可動接点が接離する固定接点を有する一対の信号線と、可動接点が両固定接点に近づく向きに可動接点を変位させる駆動手段とを備え、駆動手段は、可撓部に設けられてなり圧電層の厚み方向の両側の電極間に電圧を印加したときに可動接点が両固定接点に近づく向きに変位するように可撓部を変形させる圧電アクチュエータと、可動板部に設けられた可動電極および当該可動電極に対向配置された固定電極を有し可動電極と固定電極との間に電圧を印加したときに可動接点が両固定接点に近づく向きに可動接点を変位させる静電アクチュエータとを備え、構造体部は、ベース基板の前記厚み方向に直交する面内の中央部に可動接点が設けられ、支持部が平面視において可動接点を中心として可動板部を囲む仮想四角形の4つの角それぞれに設けられ、可撓部が前記仮想四角形の各辺のうち固定接点の並設方向に直交する辺に沿って配置され、可撓部における支持部側とは反対側の端部が前記並設方向に沿って形成された連結部を介して可動板部と連結され、圧電アクチュエータは、可動接点を中心として4つの可撓部それぞれの同じ位置に設けられ、静電アクチュエータは、可動板部において可動接点を中心として固定接点の並設方向に直交する方向の両側の同じ位置で、前記並設方向において隣り合う可撓部の間に設けられ、圧電アクチュエータよりも平面視における面積が大きいことを特徴とするMEMSスイッチ。
  2. 前記各信号線と前記圧電アクチュエータの前記各電極とが電気的に絶縁されてなることを特徴とする請求項1記載のMEMSスイッチ。
  3. 前記各信号線と前記静電アクチュエータの前記可動電極および前記固定電極とが電気的に絶縁されてなることを特徴とする請求項1または請求項2記載のMEMSスイッチ。
  4. 前記圧電アクチュエータと前記静電アクチュエータとに共通のグランド電極を有することを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のMEMSスイッチ。
  5. 前記圧電アクチュエータは、前記圧電層が鉛系圧電材料により形成されてなることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載のMEMSスイッチ。
  6. 前記可動板部は、前記可動接点が形成された可動接点基台部と前記可動電極が形成された可動電極基台部との間に前記固定接点の並設方向の幅が可動接点基台部および可動電極基台部に比べて細幅の接圧ばね部が設けられてなることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載のMEMSスイッチ。
  7. 前記可動板部は、前記各信号線の前記固定接点以外の部位を平面視において露出させる切欠部が形成されてなることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載のMEMSスイッチ。
  8. 前記各信号線および前記固定電極は、前記ベース基板に設けられてなり、前記各信号線は、前記ベース基板の同一平面上に同一厚さで形成されてなることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載のMEMSスイッチ。
  9. 前記ベース基板の前記一表面側に前記構造体部を収納する凹所が形成されたカバー基板が接合されてなり、前記各信号線および前記固定電極は、前記カバー基板の前記凹所の内底面に形成されてなることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載のMEMSスイッチ。
  10. 請求項8記載のMEMSスイッチの製造方法であって、ベース基板の前記一表面上に固定電極を形成する固定電極形成工程と、固定電極形成工程の後でベース基板の前記一表面上に固定接点を有する一対の信号線を形成する信号線形成工程と、信号線形成工程の後でベース基板の前記一表面側に構造体部形成用の犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、犠牲層形成工程の後でベース基板の前記一表面側に可動電極を形成する可動電極形成工程と、可動電極形成工程の後で可動接点を形成する可動接点形成工程と、可動接点形成工程の後で構造体部を形成する構造体部形成工程と、構造体部形成工程の後で圧電アクチュエータの一方の電極を形成する第1の電極形成工程と、第1の電極形成工程の後で圧電層を形成する圧電層形成工程と、圧電層形成工程の後で圧電アクチュエータの他方の電極を形成する第2の電極形成工程と、第2の電極形成工程の後で犠牲層を除去する犠牲層除去工程とを備えることを特徴とするMEMSスイッチの製造方法。
  11. 請求項9記載のMEMSスイッチの製造方法であって、ベース基板の一表面側に構造体部形成用の犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、犠牲層形成工程の後でベース基板の前記一表面側に構造体部を形成する構造体部形成工程と、構造体部形成工程の後で圧電アクチュエータの一方の電極である下部電極および可動電極を形成する第1の電極形成工程と、第1の電極形成工程の後で圧電層を形成する圧電層形成工程と、圧電層形成工程の後で圧電アクチュエータの他方の電極である上部電極を形成する第2の電極形成工程と、第2の電極形成工程の後で構造体部上に可動接点を形成する可動接点形成工程と、可動接点形成工程の後で犠牲層を除去する犠牲層除去工程と、犠牲層除去工程の後で固定接点を有する一対の信号線および固定電極が形成されているカバー基板をベース基板の前記一表面側に接合する接合工程とを備えることを特徴とするMEMSスイッチの製造方法。
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