JP2010282788A - 有接点スイッチ、半導体デバイス、モジュールおよび電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 接点部におけるスティクションの発生を抑制し、より長寿命化を図ることの可能な有接点スイッチ、並びにその有接点スイッチを内蔵した半導体デバイス、モジュールおよび電子機器を提供する。
【解決手段】有接点スイッチ１１Ａは、信号線路１２に固定接点２３を有し、この固定接点２３に対向して可動接点２４を有する。固定接点２３には摺接面２５（凹型の湾曲面）、これに対応して可動接点２４には摺接面２６（凸型の湾曲面）が設けられている。可動接点２４側の摺接面２６の湾曲の程度（曲率）は固定接点２３側の摺接面２５のそれよりも大きくなっている。オン動作時において、可動接点２４が固定接点２３側に変位し、摺り動作を行いながら、すなわちその摺接面２６が摺接面２５に倣って弾性的に変形しつつ接触する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems；マイクロマシン）に用いられる有接点スイッチ、並びにその有接点スイッチを内蔵する半導体デバイス、モジュールおよび電子機器に関する。

近年の集積化技術の向上に伴い、電子機器の小型・軽量化、低電圧動作・低消費電力化、高周波動作化が急速に進んでいる。特に、携帯電話などの移動通信端末装置の技術分野では、上記の要求が厳しい上に、高機能化も求められており、これらの対立する課題を解決する技術の一つとして、ＭＥＭＳが注目されている。このＭＥＭＳは、シリコンプロセス技術により、マイクロな機械的要素と電子回路要素とを融合したシステムであり、日本では主にマイクロマシンと称されるものである。ＭＥＭＳ技術は、その精密加工性などの優れた特徴から、高機能化に対応しつつ、小型で低価格なＳｏＣ（System on a Chip) を実現することができる。

移動通信端末装置の技術分野では、このＭＥＭＳ技術を利用した様々な半導体素子が開発されているが、その１つに高周波信号を伝送する信号線路の継断を機械的に行うための有接点スイッチがある。

この種の有接点スイッチで用いられている接点は、絶縁体を母材とするばねや基板等の表面にめっきないしは半導体工程によって形成される金属層を有し、金属−金属接触部を機械的に開閉動作させるようになっている。これにより線路を伝送する信号を電気的に開閉するものである。現在、一般に使用される多くの有接点スイッチでは、表面が平坦な金属接点を用いているが、近年開発が進んだ超小型のスイッチデバイスにおいて平坦接点を用いるとスティクションの発生頻度が極端に多くなるという問題が指摘されている。この問題は、スイッチの小型化に伴って接点ばねが小さくなるためにばねの乖離力が減少することに起因する。動作中の金属表面の微小な物理変化によって「金属接点表面で発生する粘着力＞ばねの乖離力」となるために、接点のスティクションが発生する。この問題を解決するために、従来、粘着力の小さい接点材料や構造の開発が行われてきた（例えば特許文献１）。

特許文献１によるスイッチング素子は、半導体基板上に、信号を伝送するための信号線路と、信号線路を機械的に継断するための継断部と、継断部を切り替え後の状態に保持するための切り替え部とを備えたものである。上記の継断部は、互いに対向配置された一組の可動子および固定子を有し、継断部の可動子および固定子の少なくとも一方の対向面に疑似球状の接触点を有している。このような構成によって、このスイッチング素子では、スティクションの発生を抑制することができ、素子の寿命を確保することができる。この特許文献１でのスティクション解決の要点は、接点表面に疑似球状の接触点を設けたことにある。これにより平坦接点に比較して接触面積を適切に制御することが可能になる。

特開２００７−１２５５８号公報

しかしながら、上記に例示したスイッチング素子では、以下のような問題があった。すなわち、このスイッチング素子では、接点部の特定箇所が接触と乖離を繰り返す構造になっている。接点の特定箇所のみが接触と乖離を繰り返すことで、同箇所の変形、変質、蓄熱の発生が加速されるため、これがスイッチデバイスの寿命を制限するものとなっている。接点表面の変形は多くの場合、接触面積の低減による接触抵抗の上昇あるいはロッキング現象の主な原因となる。接点材の変質は、ここでは合金組成の変化のことで、抵抗値の上昇の主な原因となる。蓄熱は、特にカーボン系不純物生成による接触障害の要因となる。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、接点部におけるスティクションの発生を抑制し、より長寿命化を図ることの可能な有接点スイッチを提供することにある。

本願発明の第２の目的は、その有接点スイッチを内蔵した半導体デバイス、モジュールおよび電子機器を提供することにある。

本発明の有接点スイッチは、第１摺接面を有する第１接点と、第１摺接面に対応する第２摺接面を有する第２接点と、第１接点と第２接点とを接触または非接触のいずれかの状態に切り替える駆動部と、を備えている。この有接点スイッチでは、第１接点と第２接点との接触時において、第１接点および第２接点の少なくとも一方が、他方の摺接面の形状に倣って弾性的に変形しつつ摺動するようになっている。具体的には、第１接点は信号線路に設けられた固定接点、第２接点は可動接点であり、いずれもＭＥＭＳ技術により形成されるものである。

本発明の半導体デバイスは、信号線路に対して有接点スイッチを備えたものである。この有接点スイッチは、信号線路に設けられた、第１摺接面を有する固定接点と、第１摺接面に対応する第２摺接面を有する可動接点と、固定接点と可動接点とを接触または非接触のいずれかの状態に切り替える駆動部と、を備え、固定接点と可動接点との接触時において、固定接点および可動接点の少なくとも一方が、他方の摺接面の形状に倣って弾性的に変形しつつ摺動するようになっている。

本発明のモジュールおよび電子機器は、上記本発明の半導体デバイスを内蔵したものである。

本発明の有接点スイッチ、半導体デバイス、モジュールおよび電子機器では、オン時に駆動部の作用により第１接点（固定接点）と第２接点（可動接点）とが接触し、例えば高周波信号の信号線路の電気的接続が行われる。このとき可動接点および固定接点の少なくとも一方が他方の摺接面の形状に合わせて弾性的に変形しつつ摺動（摺り動作）する。オフ時には可動接点が固定接点から離間して初期位置に復帰すると共に、第１摺接面の形状が元の形状に戻る。

本発明の有接点スイッチによれば、第１接点および第２接点の互いの接触面において摺り動作が行われるようにしたので、特定箇所のみが接触と乖離を繰り返すようなことがなく、接点寿命を著しく改善することが可能となる。従って、この有接点スイッチを備えた半導体デバイス、モジュールおよび電子機器においても長寿命化を図ることが可能になる。

本発明に係る有接点スイッチの機能ブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る有接点スイッチの接点部の平面図である。 有接点スイッチ全体の平面構成を表す図である。 有接点スイッチの作用を説明するための図である。 摺り動作を説明するための模式図である。 図２に示した有接点スイッチの製造方法の一例を表す平面図である。 図６に続く工程を表す平面図である。 図７に続く工程を表す平面図である。 第２の実施の形態に係る有接点スイッチの平面図である。 図９の有接点スイッチの端部の形状を説明するための図である。 第３の実施の形態に係る有接点スイッチの平面図である。 第４の実施の形態に係る有接点スイッチの平面図および断面図である。 固定接点側基板の製造プロセスを表す断面図である。 可動接点側基板の製造プロセスを表す断面図である。 固定接点側基板および可動接点側基板の貼り合わせプロセスを表す断面図である。 変形例１を表す平面図である。 変形例２を表す平面図である。 変形例３を表す平面図である。 有接点スイッチの適用例に係る電子機器の機能ブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態に係る有接点スイッチのブロック構成を表したものである。有接点スイッチ１１は、一の素子（図示せず）から他の素子（図示せず）へ信号、例えば高周波信号を伝送するための信号線路１２中に実装される微小構造物（マイクロマシン）である。この有接点スイッチ１１は、好適には他の素子と同一のパッケージ内に形成されるもので、より好適にはＳｉＰ(System in Package) で同梱実装されたり、ＳｏＣの一部として混載される。有接点スイッチ１１は、信号線路１２に設けられた接点部１３と、この接点部１３のオン・オフを切替駆動するための駆動部１４とを有している。

接点部１３は第１接点１３Ａと第２接点１３Ｂとの１または複数の組により構成されており、一方が固定接点、他方が可動接点となる。第１接点１３Ａは第１摺接面、第２接点１３Ｂは第２摺接面をそれぞれ有している。これら第１接点１３Ａおよび第２接点１３Ｂは、オフ時には離間（非接触）しているが、オン時には駆動部１４による電磁力等の駆動力を受けて互いに摺動しつつ接触（摺り動作）するようになっている。第１，２摺接面の形状は例えば湾曲状あるいはＶ字状である。第１接点１３Ａと第２接点１３Ｂとの位置関係は２通りある。第１は、第２接点１３Ｂが第１接点１３Ａと同一の水平面上に配置され、第２接点１３Ｂが第１接点１３Ａ側に水平に変位する場合である（水平動作）。第２は、第２接点１３Ｂが第１接点１３Ａの上方に配置され、第２接点１３Ｂが第１接点１３Ａ側に垂直に変位する場合である（垂直動作）。

駆動部１４は、可動電極および固定電極からなる櫛歯電極や対向電極に所定の電圧を印加することにより両電極間に電磁力（駆動力）を発生させ、その駆動力により可動電極を固定電極側に変位させると共に、これに連動して可動接点を固定接点に接触させるものである。

以下の具体的な実施の形態を説明するが、その説明は以下の順序で行う。
［第１の実施の形態］
（１）可動接点が凸型湾曲面を有し、水平動作を行う有接点スイッチ
（２）製造方法
［第２の実施の形態］
可動接点が凹型湾曲面を有し、水平動作を行う有接点スイッチ
［第３の実施の形態］
可動接点がＶ字型で水平動作を行う有接点スイッチ
［第４の実施の形態］
（１）垂直動作をする有接点スイッチ
（２）製造方法
［変形例１〜３］
［適用例］

［第１の実施の形態］
（可動接点が凸型の有接点スイッチの構成）
図２（Ａ），（Ｂ）は第１の実施の形態に係る有接点スイッチ１１Ａの接点部１３の平面構成を表すものである。図２（Ａ）はスイッチのオフ状態（電圧が印加されていない状態）、図２（Ｂ）はスイッチのオン状態（電圧が印加されている状態）をそれぞれ表している。図３はこの接点部１３を含めた有接点スイッチ１１Ａ全体の構成を表すものであり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＩ−Ｉ矢視方向の断面構造を表している。本実施の形態の有接点スイッチ１１Ａは水平動作を行うものである。

有接点スイッチ１１Ａは、例えばＳｉ基板などの基板２１に設けられた絶縁層２２上の信号線路１２に固定接点２３（図１の第１接点１３Ａ）を有し、この固定接点２３に対向して可動接点２４（図１の第２接点１３Ｂ）を備えている。固定接点２３と可動接点２４とは同一水平面上に設けられている。信号線路１２は図２のＹ軸方向に延在しており、絶縁層２２の凸部分（絶縁突起２２ａ）により２つに分断され、この分断部分に固定接点２３としての２つの端子２３ａ，２３ｂが設けられている。

固定接点２３（接点部分２３ａ，２３ｂ）の可動接点２４との対向面には、可動接点２４が摺動しつつ接触（電気的接続）が可能な摺接面２５（第１摺動面）が設けられている。本実施の形態では、この摺接面２５は凹型の湾曲面となっている。この湾曲形状は例えば摺り動作が行われるものであればよいが、奥側になるほど曲率が大きくなる形状であることが好ましい。

可動接点２４には、固定接点２３側の摺接面２５に対応して、同じく湾曲形状の摺接面２６（第２摺接面）が設けられている。本実施の形態では、この摺接面２６は凸型の湾曲面となっている。この摺接面２６の湾曲の程度（曲率）は固定接点２３側の摺接面２５のそれよりも大きくなっている。言い換えれば、凹型の湾曲面（摺接面２５）の接線の傾きは凸型の湾曲面（摺接面２６）の接線の傾きよりも大きくなっている。加えて、可動接点２４（摺接面２６）は固定接点２３への接触時（オン時）に、固定接点２３側の摺接面２５に倣って変形する程度の弾性を有している。摺接面２６には後述の材料よりなる電極層（摺接層）２６Ａが設けられている。可動接点２４と固定接点２３とのオーバーラップ面積は例えば数十〜数百μｍ²程度である。電極層２６Ａの厚みは例えば２．０μｍ程度である。

ここで、可動接点２４と固定接点２３とのオーバーラップ面積の範囲および電極層２６Ａの厚みの根拠について説明する。ＭＥＭＳスイッチでは、原理的にデバイスの可動接点２４と固定接点２３とのオーバーラップ面積は数μｍ程度であれば、接点開閉機能を実現することができる。しかしながら、信頼性の高いデバイスを実現するには、加工精度、環境因子、経時変化および可動接点動作の繰り返し精度の影響による特性変動などの観点から、オーバーラップ面積を大きくする必要がある。例えば、加工精度の高いＣＭＯＳ工程を利用したsurfaceＭＥＭＳの場合、接点部について±０．５μｍ×マスク数の加工誤差を加味する必要がある。環境因子はより大きな影響因子であり、特に熱に関してはデバイス基板の反り量を踏まえて数十μｍ程度が必要である。接点の開閉動作についても、摩擦力による速度減衰の影響はランダム性を有するため、アクチュエータ制御機構で定義されるものと同程度のマージンが必要である。経時変化については、他の因子に比較すれば影響は小さく、接点形状変形による数μｍを見込む程度で良いことが多い。以上より、実効的に必要なオーバーラップ面積は数十〜数百μｍ²が適当であると考えられる。一方、電極層２６Ａの厚みは摺動の制御因子ではあるが、伝送周波数による要求の方が支配的である。伝送信号は被伝送材料の誘電率と周波数とによって決まるスキンデプスを有し、電極層２６Ａの厚みはスキンデプスよりも厚いことにより、信号伝送の損失を小さくすることができる。例えば、電極層２６Ａの材料がＡｕであり周波数が３ＧＨｚのときスキンデプスは約１．８ｕｍであるため、製造ばらつきを加味すると電極層２６Ａの厚みは２．０ｕｍ程度が適当であると考えられる。

可動接点２４を駆動するための駆動部１４は、例えば図３（Ａ），（Ｂ）に示した固定電極２７および可動電極２８からなる櫛歯電極により構成されている。可動電極２８は可動接点２４の支持部２９に連結されている。固定電極２７は基板２１側に形成されている。可動電極２８および固定電極２７は、基板２１の素材例えばシリコン（Ｓｉ）を、公知のリソグラフィー技術を用いて３次元加工することにより形成されたものである。固定電極２７および可動電極２８の櫛歯部分の対向面には電極層（図示せず）が設けられている。これら固定電極２７および可動電極２８にはオン動作時において、電源（図示せず）からの電圧印加により駆動力として電磁力が発生し、これにより可動電極２８が固定電極２７側に吸引され、それに連動して可動接点２４が固定接点２３に接触するようになっている。

基板２１は固定接点２３を支持するものであり、シリコン（Ｓｉ）の他、例えばシリコン・カーバイト（ＳｉＣ）、シリコン・ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）およびシリコン・ゲルマニウム・カーボン（ＳｉＧｅＣ）などのＳｉ系基板が用いられる。基板２１としては、また、ガラス、樹脂およびプラスチックなどの非Ｓｉ系基板を用いてもよい。絶縁層２２は、有接点スイッチ１１Ａを基板２１から電気的に分離するものであり、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ２ ）または窒化ケイ素（ＳｉＮ）などの絶縁性材料により形成される。

固定接点２３の端子２２ａ，２２ｂおよび可動接点２４の電極層２６Ａの構成材料としては、金（Ａｕ）またはＡｕを母材とした合金を用いる。加えて、ルテニウム（Ｒｕ），ロジウム（Ｒｈ），白金（Ｐｔ）などの貴金属，またはこれらの酸化物を母材とした合金などのように、粘着性が低く、かつ硬度が高い材料としてもよい。添加成分としては、パラジウム（Ｐｄ），炭素（Ｃ），銀（Ａｇ），ルテニウム（Ｒｕ），インジウム（Ｉｎ）などが挙げられる。

Ａｕは低荷重で低接触抵抗を示す材料として用いられ、微小負荷で動作するＭＥＭＳスイッチにおいて高い周波数特性を実現するためのキー材料である。しかし、Ａｕは相対的に柔らかい金属のためスイッチの開閉動作による変形、磨耗の度合いが大きく、繰り返し動作が進むにつれて接触抵抗値の上昇などの故障の原因となる。Ａｕの優れた特性を保ちつつ、硬度を上げ、変形あるいは磨耗の問題を改善するためには、例えばＡｕＡｇ８，ＡｕＮｉ２ ，ＡｕＰｄ，ＡｕＰｄＲｕ，ＡｕＩｎ，ＡｕＣｏなどのＡｕ合金とすることが望ましい。添加材料の含有率は、Ａｕに対して０．１〜８％程度を目安とする。これにより硬度は２倍、耐磨耗性は３倍程度まで改善される。

この他に、Ａｕ薄膜をＡｕに比較して高い硬度を有する材料の表面に形成する方法がある。例えば、電気的特性に優れ、かつ高度の高いＰｔ，Ｒｕなどの貴金属からなる薄膜上に1 μｍ以下のＡｕ薄膜を積層した構造とするものである。このように積層構造の接点とすることにより、Ａｕの低接触抵抗特性を活かしつつ、下地層により接点の表面変形を一定量制限することができ、Ａｕ合金と同様に接点硬度を上昇させることが可能になる。

このように、可動接点２４の電極材料として粘着性が低く、かつ硬度が高い材料を用いた場合には、接触力に対する接触面積の変化を小さくすることができるので、固定接点２３と可動接点２４との接触部分を容易に分離させることができるだけでなく、接触安定性を向上させることができる。

一方、この有接点スイッチ１１ＡをＳｏＣの一部として混載する場合には、接点の構成材料としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）または同（Ｃｕ）であることが好ましく、可動接点２４を形成する層によっては、Ｗｓｉ、ＴｉＳｉ、ＣｏＳｉ、ＮｉＳｉなどのシリサイドとしてもよい。なお、固定接点２３および可動接点２４をシリサイドにより形成する場合は、ＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor) と同様、自己整合的にシリサイド化するサイサイド技術を用いることが好ましい。

なお、固定接点２３および可動接点２４それぞれの電極材料の組成は相違することが好ましい。同一の場合と比べて、粘着性がより低くなり、その結果、接触部の離着の安定性をより向上させることができるからである。

［作用効果］
本実施の形態の有接点スイッチ１１Ａでは、図２（Ａ），図４（Ａ）に示したオフ状態において、オン動作の指令を受けると固定電極２７および可動電極２８に所定の電圧が印加され、これら電極間に電磁力が発生する。その結果、可動電極２８が固定電極２７に近接し、それに伴って可動接点２４が固定接点２３側に水平に移動し、図２（Ｂ）および図４（Ｂ）に示したように固定接点２３と十分に接触する。これにより信号線路１２が閉じられた状態（オン状態）となる。

この過程において、本実施の形態では、可動接点２４側の摺接面２６の湾曲の程度（曲率）が固定接点２３側の摺接面２５のそれよりも大きくなっており、その結果摺接面２６が固定接点２３側の摺接面２５に倣って弾性的に変形しつつ接触する。すなわち可動接点２４は固定接点２３に対して摺り動作を行いながら接触する。

次に、このオフ状態に続いて、オン動作の指令を受けると固定電極２７と可動電極２８との間の電磁力が解除され、それに伴い可動接点２４は固定接点２３から離間し、図２（Ａ）および図４（Ｂ）の位置に復帰する。このとき可動接点２４の形状も元の形状に戻る。

ちなみに図５は上記オフ状態からオン状態への移行時の可動接点２４の形状変化（曲率の変化）を模式的に表したものである。固定接点２３側の湾曲面２５の曲率が奥に向かって小さくなっていることから、可動接点２４の摺接面２６は奥に進むにつれて大きく変形し、かつ接触部が擦り動作しながら移動する。これによって摺り動作はより促進され、かつ摺接面２６の全面を有効に活用できる。すなわち本実施の形態ではこの摺り動作により接点表面の広い面積を活用することが可能になり、接点の寿命が改善される。

このように本実施の形態では、有接点スイッチ１１Ａの接点において摺り動作が行われるので、固定接点２３と可動接点２４との接触部分のうち特定の箇所において接触を繰り返すようなことがなくなる。よって、接点表面の変形が抑制され、その結果、信号伝達特性を変化させることなく、接触部分同士を容易に分離させることができる。よって、スティクションの発生を抑制することができると共に、異物や接点表面の変形により誘引されるオン不良やオフ不良の発生を抑制することができる。

また、本実施の形態では、接点表面の清浄度と平滑性を維持することにも効果がある。因みに、清浄度の維持とは、例えば接点上異物として代表的なフルオロカーボン系異物の生成を防止することである。一般に、金属特定の特定箇所が接触しつづけると、同箇所に生じる熱をもとに成長が促進され、不良モードを引き起こすまでに大きく成長する可能性がある。本実施の形態による摺り動作は、接触表面を広く確保し、かつ表面状態を微小変化させ続けることによって、異物生成を遅延させることができる。また、平滑性の維持とは、例えばオン・オフ動作時に、金属の粘着力や表面間の放電によって金属表面に突起状異物が生成されることを防ぐことである。突起は、接触面積不十分による抵抗の増加や、突起同士が絡み合って機械的に固着してしまう現象（ロッキング現象）を誘引する。本実施の形態による摺り動作は、突起のできにくい動作モードであり、かつ突起が出現した際にはこれ押しつぶす。これにより有接点スイッチ１１Ａの接点寿命は改善され、長寿命なスイッチング素子を実現することが可能になる。

（製造方法）
本実施の形態の有接点スイッチ１１Ａの接点部１３は、図６〜図８のようにして製造することができる。なお、図６〜図８の各図において、（Ａ）は平面構造、（Ｂ）は（Ａ）に示したＩＩ−ＩＩ線に沿った断面構造を表している。

まず、例えばＳｉ等の基板２１のリソグラフィー技術を用いた３次元加工により、固定接点２３および可動接点２４の母型２３Ａ，２４Ａを形成する（図６（Ａ），（Ｂ））。このとき，母型２３Ａ，２４Ａの平面パターンは上記の凹型，凸型の湾曲形状とする。続いて、母型２３Ａ，２４Ａの各対向部分およびその近傍に例えばＳｉＮ／ＳｉＯ2 の積層膜からなる絶縁膜２２を形成する（図７（Ａ），（Ｂ））。最後に、各絶縁膜２２上に例えばＡｕＰｄからなる電極材料を堆積し、固定接点２３の端子２３ａ，２３ｂおよび可動接点２４の電極層２６Ａを形成する（図８（Ａ），（Ｂ））。これにより有接点スイッチ１１Ａを形成することができる。

以下，他の実施の形態を説明する。なお、第１の実施の形態と同一の構成要素については同一符号を付してその説明は省略すると共に、対応する構成要素の参照符号を実施の形態毎に第１の実施の形態の参照符号に適宜１０，２０，３０を追加したものとする。

［第２の実施の形態］
（可動接点が凹型の有接点スイッチの構成）
図９（Ａ），（Ｂ）は本発明の第２の実施の形態に係る有接点スイッチ１１Ｂの平面構成を表すものである。この有接点スイッチ１１Ｂも上記実施の形態と同様に水平動作を行うものである。

この有接点スイッチ１１Ｂは固定接点３３と可動接点３４とを有しているが、凹凸の湾曲面の組み合わせが第１の実施の形態の固定接点２３と可動接点２４の関係とは逆になっている。すなわち、固定接点３３側に凸型の湾曲面からなる摺接面３５、可動接点３４側に凹型の湾曲面からなる摺接面３６がそれぞれ設けられ、可動接点３４側の摺接面３６の曲率が奥に向かって小さくなっている。その他の構成は実質的に第１の実施の形態と同様である。

この有接点スイッチ１１Ｂにおいても、図９（Ａ）に示したオフ状態から可動接点３４が固定接点３３側に水平に移動し、固定接点３３に接触する（図９（Ｂ））。これにより信号線路１２が閉じられた状態（オン状態）となる。この過程において、本実施の形態では、可動接点３４側の凹型の摺接面３６が固定接点３３側の凸型の摺接面３５に倣って弾性的に変形、すなわち可動接点３４は固定接点３３に対して摺り動作を行いながら接触する。オフ時の動作は第１の実施の形態と同様である。

因みに、固定接点３３の可動接点３４に最初に接触する部分（両端部）の形状は、図１０（Ａ）に示したように曲面に沿った形状でもよいが、図１０（Ｂ）に示したように反り返し部３７を設けることが好ましい。これにより固定接点３３の可動接点３４の角辺りが防止され、接点の故障率をより低減させることが可能となる。

本実施の形態の効果は第１の実施の形態と同様であるので、その説明は省略する。

［第３の実施の形態］
（可動接点がＶ字型の有接点スイッチの構成）
図１１は本発明の第３の実施の形態に係る有接点スイッチ１１Ｃの平面構成を表すものである。この有接点スイッチ１１Ｃも上記実施の形態と同様に水平動作を行う。

この有接点スイッチ１１Ｃは固定接点４３と可動接点４４とを有する。固定接点４３側には凹型で略Ｖ字形状の摺接面４５、可動接点４４側には凸型で略Ｖ字形状の摺接面４６がそれぞれ設けられている。ここで、可動接点４４側の摺接面４６の開度（頂角）は固定接点４３側の摺接面４５のそれよりも大きくなっている。その他の構成は実質的に第１の実施の形態と同様である。

この有接点スイッチ１１Ｃにおいても、図１１（Ａ）に示したオフ状態から可動接点４４が固定接点４３側に水平に移動し、固定接点４３に接触する（図１１（Ｂ））。これにより信号線路１２が閉じられた状態（オン状態）となる。

この過程において、本実施の形態では、可動接点４４側のＶ字形状の摺接面４６が固定接点４３側の摺接面４５に倣って弾性的に変形、すなわち可動接点４４は固定接点４３に対して摺り動作を行いながら接触する。オフ時の動作は第１の実施の形態と同様である。

この有接点スイッチ１１Ｃでは、可動接点４４および固定接点４３ともにＶ形状としたものであり、前述した曲面状接点を有する有接点スイッチ１１Ａ，１１Ｂの場合と比較すると、接触面積が広くなる。そのため、本実施の形態では接点部の寿命の観点では曲面状接点を有する第１，２の実施の形態に比べて劣るが、接触抵抗の方は低減されることから、接点部の高周波特性は第１，２の実施の形態のそれよりも優れる。従って、個々のスイッチデバイスの設計に際しては、有接点スイッチの寿命と高周波特性の要求とを考慮して、曲面形状からＶ字形状の間において最適形状を選択することが好ましい。

［第４の実施の形態］
（垂直動作をする有接点スイッチ）
図１２（Ａ），（Ｂ）は本発明の第４の実施の形態に係る有接点スイッチ１１Ｄの構成を表している。本実施の形態の有接点スイッチ１１Ｄは垂直動作を行うものである。

この有接点スイッチ１１Ｄは、例えば半導体基板などの基板５１の絶縁層５２上に設けられた信号線路１２に固定接点５３（第１接点１３Ａ）を有し、この固定接点５３の上方に可動接点５４（第２接点１３Ｂ）を備えている。ここでは信号線路１２は図１２のＸ軸方向に延在しており、絶縁層５２の凸部分（絶縁突起５２ａ）により２つに分断され、この分断部分に固定接点５３としての２つの端子５３ａ，５３ｂが設けられている。

本実施の形態においても、固定接点５３（接点部分５３ａ，５３ｂ）の前面には摺接面５５（第１摺動面）が設けられ、可動接点５４が上方から摺動しつつ接触が可能なようになっている。本実施の形態では、この摺接面５５は凹型の略Ｖ字形状となっている。

可動接点５４は平面パターンが略Ｔ字状の片持ち梁部５７を有し、その片持ち梁部５７の先端に固定接点５３側の摺接面５５に対応して凸型で略Ｖ字形状の摺接面５６（第２摺接面）を有している。摺接面５６には下面側の例えばＡｕ／Ｔｉからなる膜厚２．１μｍ（２．０μｍ／０．１μｍ）の電極層５６Ａが設けられている。電極層５６Ａに対向して片持ち梁部５７の上面には応力印加用薄膜５７Ｂ１，５７Ｂ２が設けられている。応力印加用薄膜５７Ｂ１，５７Ｂ２は例えばＳｉＮ／ＳｉＯ₂により形成されており、その膜厚は例えば２００ｎｍ（１５０ｎｍ／５０ｎｍ）である。これら応力印加用薄膜５７Ｂ１，５７Ｂ２と電極層５６Ａとの間の線膨張係数の差によって可動接点５４は下側に向けて凸型となっている。

ここでは、２つの応力印加用薄膜５７Ｂ１，５７Ｂ２を対称的に配置しているが、これらは１つとしてもよい。応力印加用薄膜の大きさ、形状を変更することにより摺接面５６の湾曲の程度あるいは形状を任意に変更可能である。

本実施の形態においても、可動接点５４側の摺接面５６の湾曲度は固定接点５３側の摺接面５５のそれよりも大きく、可動接点５４の固定接点５３への接触時（オン時）に摺接面５６が固定接点５３側の摺接面５５に倣って変形する程度の弾性を有している。

可動接点５４の駆動を行うための駆動部１４は、固定電極５８および可動電極５９からなる対向電極により構成されている。可動電極５９は可動接点５４の片持ち梁部５７に連結されている。固定電極５８は基板５１側に形成されている。可動電極５９および固定電極５８の対向面には例えばコイル状電極層（図示せず）が設けられている。これら固定電極５８および可動電極５９には、オン動作時において、電源（図示せず）からの電圧印加により駆動力として静電力が発生する。これにより可動電極５９が固定電極５８側に吸引され、それに連動して可動接点５４が固定接点５３に接触するようになっている。固定電極５８，可動電極５９は、後述のような固定接点５３，可動接点５４の作製プロセスにおいて同時に形成される。

本実施の形態の有接点スイッチ１１Ｄにおいては、オフ状態からオン動作を行うときに、固定電極５８および可動電極５９に所定の電圧が印加され、これら電極間に駆動電力として静電力が発生する。その結果、可動電極５９が固定電極５８に近接し、それに伴って可動接点５４が片持ち梁部５７の弾性力に抗して固定接点５３側に垂直に変位し、図１２（Ｂ）に一点鎖線で示したように固定接点５３と十分に接触する。これにより信号線路１２が閉じられた状態（オン状態）となる。

この過程において、本実施の形態においても、可動接点５４側の摺接面５６の湾曲の程度（あるいは開度）は固定接点５３側の摺接面５５のそれよりも大きくなっており、摺接面５６が固定接点５３側の摺接面５５に倣って弾性的に変形しつつ接触する。すなわち可動接点５４は固定接点５３に対して摺り動作を行いながら接触する。オン状態からオフ状態に切り替わる際には、固定電極５８および可動電極５９への電圧印加が解除される。その結果駆動力が零になり、それに伴い片持ち梁部５７の弾性力によって可動接点５４は固定接点５４から離間し、図１２（Ｂ）の実線の位置に復帰する。

その他の作用効果は第１の実施の形態と同様であるので、その説明は省略する。

（製造方法）
本実施の形態の有接点スイッチ１１Ｄは、図１３〜図１５のようにして製造することができる。図１３は固定接点側基板の製造プロセス、図１４は可動接点側基板の製造プロセス、図１５は、これら基板の貼り合わせ工程を表している。

まず、例えばＳｉ基板５１Ａに対して例えばＫＯＨ（水酸化カリウム）を用いたウェットエッチングによりＶ字の溝５１ａを形成する（図１３（Ａ））。続いて、ＲＩＥ(Reactive Ion Etching;反応性イオンエッチング）により溝５１ａの周縁近傍を除いて垂直に加工する（図１３（Ｂ））。次に、この溝５１ａの内部およびその周辺部分に例えばスパッタリングにより例えばＳｉＮ／ＳｉＯ2 の積層膜からなる絶縁膜５１ｂを形成し（図１３（Ｃ））、この絶縁膜５１ｂ上に例えばＡｕＰｄからなる電極層５１ｃ（固定接点５３の端子）を形成する（図１３（Ｄ））。これにより固定接点５３が作製される。なお、ここでは信号線路１２（図１）は省略されている。

一方、可動接点５４は次のようにして作製することができる。すなわち、Ｓｉ基板５１Ａとは別にＳｉ基板５１Ｂを用意し、このＳｉ基板５１Ｂ上に例えばＳｉＯ₂からなる絶縁膜５２ａを形成する。続いて、この絶縁層５２ａの上に例えばポリシリコンからなる可動接点用の薄膜５２ｂを形成し、この薄膜５２ｂ上に応力印加用薄膜５７Ｂ１，５７Ｂ２を例えばスパッタリングにより形成する（図１４（Ａ））。次に、Ｓｉ基板５１Ａの裏面を絶縁膜５２ａを用いた例えばＲＩＥ(Reactive Ion Etching;反応性イオンエッチング）により選択的に除去し、空間部５２ｃを形成する。そののち絶縁膜５２ａを除去する（図１４（Ｂ））。次に、空間部５２ｃを通して薄膜５２ｂの裏面に電極膜５６Ａを形成する（図１４（Ｃ））。次いで、ＲＩＥにより薄膜５２ｃを例えば略Ｔ字の片持ち梁形状にパターニングする（図１４（Ｄ））。これにより可動接点５４が作製されるが、このとき応力印加用薄膜５７Ｂ１，５７Ｂ２と電極膜５６Ａとの間の線膨張係数の差によって可動接点５４は下側に向けて凸型となる形状を有するものとなる。なお、５１ＢはＳＯＩ（silicon on Insulator）を用いてもよく、その場合は絶縁膜５２ａに単結晶シリコンを用いる。

最後に、このように固定接点５３が形成された基板５１Ａと可動接点５４が形成された基板５１Ｂとを貼り合わせることにより、本実施の形態の有接点スイッチ１１Ｄが完成する（図１５）。

以上、上記第１〜第４の実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。

［変形例１］
第３の実施の形態では、固定接点４３側の摺接面４５を凹型形状、可動接点４４側の摺接面４６を凸型形状としたが、凸凹の組合せを逆にして、図１６に示した有接点スイッチ１１Ｅのように、摺接面４５を凸型形状、摺接面４６を凹型形状としてもよい。

［変形例２］
図１７は第１の実施の形態において説明した有接点スイッチ１１Ａの固定接点２３および可動接点２４の組を複数、例えば４組を並列して一体化したものである。ここでは、４個の固定接点２３を信号線路１２に直列に設けるようにしているが、並列に、すなわち複数の信号線路１２を設け、信号線路１２それぞれに対して固定接点２３を設けるような構成としてもよい。このように接点を直列ないしは並列に複数個配置することにより、スイッチデバイスのアイソレーションないしはインサーションロスを向上させることができる。一般に、接点をアレイ化すると、接点起因の不具合モードによってスイッチの寿命が劣化するが、上記実施の形態で説明した接点構造を用いることにより、アレイ接点を用いたスイッチデバイスの寿命を向上させることができる。

［変形例３］
図１８は第３の実施の形態の有接点スイッチ１１Ｃを並列化した構造を表すものである。その他は上記変形例２と同様であるのでその説明は省略する。

［適用例］
次に、図１９を参照して、本発明の有接点スイッチを搭載した通信装置の構成について説明する。図１９は、電子機器としての通信装置のブロック構成を表している。なお、本発明の有接点スイッチを搭載した半導体デバイスおよびモジュールは、上記通信装置により具現化されるので、以下、合わせて説明する。

図１９に示した通信装置は、上記各実施の形態において説明した有接点スイッチを送受信切替器３０１（半導体デバイス）として搭載したものであり、例えば、携帯電話器、情報携帯端末（ＰＤＡ）、無線ＬＡＮ機器などである。なお、上記送受信切替器３０１は、ＳｏＣからなる半導体デバイス内に形成されている。この通信装置は、例えば、図２０に示したように、送信系回路３００Ａ（モジュール）と、受信系回路３００Ｂ（モジュール）と、送受信経路を切り替える送受信切換器３０１と、高周波フィルタ３０２と、送受信用のアンテナ３０３とを備えている。

送信系回路３００Ａは、Ｉチャンネルの送信データおよびＱチャンネルの送信データに対応した２つのデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ；Digital/Analogue Converter）３１１Ｉ，３１１Ｑおよび２つのバンドパスフィルタ３１２Ｉ，３１２Ｑと、変調器３２０および送信用ＰＬＬ（Phase-Locked Loop ）回路３１３と、電力増幅器３１４とを備えている。この変調器３２０は、上記した２つのバンドパスフィルタ３１２Ｉ，３１２Ｑに対応した２つのバッファアンプ３２１Ｉ，３２１Ｑおよび２つのミキサ３２２Ｉ，３２２Ｑと、移相器３２３と、加算器３２４と、バッファアンプ３２５とを含んで構成されている。

受信系回路３００Ｂは、高周波部３３０、バンドパスフィルタ３４１およびチャンネル選択用ＰＬＬ回路３４２と、中間周波回路３５０およびバンドパスフィルタ３４３と、復調器３６０および中間周波用ＰＬＬ回路３４４と、Ｉチャンネルの受信データおよびＱチャンネルの受信データに対応した２つのバンドパスフィルタ３４５Ｉ，３４５Ｑおよび２つのアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ；Analogue/Digital Converter）３４６Ｉ，３４６Ｑとを備えている。高周波部３３０は、低ノイズアンプ３３１と、バッファアンプ３３２，３３４と、ミキサ３３３とを含んで構成されており、中間周波回路３５０は、バッファアンプ３５１，３５３と、自動ゲイン調整（ＡＧＣ；Auto Gain Controller）回路３５２とを含んで構成されている。復調器３６０は、バッファアンプ３６１と、上記した２つのバンドパスフィルタ３４５Ｉ，３４５Ｑに対応した２つのミキサ３６２Ｉ，３６２Ｑおよび２つのバッファアンプ３６３Ｉ，３６３Ｑと、移相器３６４とを含んで構成されている。

この通信装置では、送信系回路３００ＡにＩチャンネルの送信データおよびＱチャンネルの送信データが入力されると、それぞれの送信データを以下の手順で処理する。すなわち、まず、ＤＡＣ３１１Ｉ、３１１Ｑにおいてアナログ信号に変換し、引き続きバンドパスフィルタ３１２Ｉ，３１２Ｑにおいて送信信号の帯域以外の信号成分を除去したのち、変調器３２０に供給する。続いて、変調器３２０において、バッファアンプ３２１Ｉ，３２１Ｑを介してミキサ３２２Ｉ，３２２Ｑに供給し、引き続き送信用ＰＬＬ回路３１３から供給される送信周波数に対応した周波数信号を混合して変調したのち、両混合信号を加算器３２４において加算することにより１系統の送信信号とする。この際、ミキサ３２２Ｉに供給する周波数信号に関しては、移相器３２３において信号移相を９０°シフトさせることにより、Ｉチャンネルの信号とＱチャンネルの信号とが互いに直交変調されるようにする。最後に、バッファアンプ３２５を介して電力増幅器３１４に供給することにより、所定の送信電力となるように増幅する。この電力増幅器３１４において増幅された信号は、送受信切換器３０１および高周波フィルタ３０２を介してアンテナ３０３に供給されることにより、そのアンテナ３０３を介して無線送信される。この高周波フィルタ３０２は、通信装置において送信または受信する信号のうちの周波数帯域以外の信号成分を除去するバンドパスフィルタとして機能する。

一方、アンテナ３０３から高周波フィルタ３０２および送受信切換器３０１を介して受信系回路３００Ｂに信号が受信されると、その信号を以下の手順で処理する。すなわち、まず、高周波部３３０において、受信信号を低ノイズアンプ３３１で増幅し、引き続きバンドパスフィルタ３４１で受信周波数帯域以外の信号成分を除去したのち、バッファアンプ３３２を介してミキサ３３３に供給する。続いて、チャンネル選択用ＰＰＬ回路３４２から供給される周波数信号を混合し、所定の送信チャンネルの信号を中間周波信号とすることにより、バッファアンプ３３４を介して中間周波回路３５０に供給する。続いて、中間周波回路３５０において、バッファアンプ３５１を介してバンドパスフィルタ３４３に供給することにより中間周波信号の帯域以外の信号成分を除去し、引き続きＡＧＣ回路３５２でほぼ一定のゲイン信号としたのち、バッファアンプ３５３を介して復調器３６０に供給する。続いて、復調器３６０において、バッファアンプ３６１を介してミキサ３６２Ｉ，３６２Ｑに供給したのち、中間周波用ＰＰＬ回路３４４から供給される周波数信号を混合し、Ｉチャンネルの信号成分とＱチャンネルの信号成分とを復調する。この際、ミキサ３６２Ｉに供給する周波数信号に関しては、移相器３６４において信号移相を９０°シフトさせることにより、互いに直交変調されたＩチャンネルの信号成分とＱチャンネルの信号成分とを復調する。最後に、Ｉチャンネルの信号およびＱチャンネルの信号をそれぞれバンドパスフィルタ３４５Ｉ，３４５Ｑに供給することによりＩチャンネルの信号およびＱチャンネルの信号以外の信号成分を除去したのち、ＡＤＣ３４６Ｉ，３４６Ｑに供給してデジタルデータとする。これにより、Ｉチャンネルの受信データおよびＱチャンネルの受信データが得られる。

この通信装置は、上記各実施の形態において説明したスイッチング素子を受信切替器３０１として搭載しているため、上記各実施の形態において説明した作用により、優れた高周波特性を有する。

なお、図１９に示した通信装置では、上記各実施の形態において説明した有接点素子を受信切替器３０１（半導体デバイス）に適用する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えば、スイッチング素子を送信系回路３００Ａおよび受信系回路３００Ｂ（モジュール）内のミキサ３３２Ｉ，３３２Ｑ，３３３，３６２Ｉ，３６２Ｑや、バンドパスフィルタ３１２Ｉ，３１２Ｑ，３４１，３４３，３４６Ｉ，３４６Ｑ、または、高周波フィルタ３０２（半導体デバイス）に適用してもよい。この場合においても、上記と同様の効果を得ることができる。

１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ…有接点スイッチ、１２…信号線路、１３…線点部、１４…駆動部、２３，３３，４３，５３…固定接点、２４，３４，４４，５４…可動接点、２５，３５，４５，５５…摺接面（第１摺接面）、２６，３６，４６，５６…摺接面（第２摺接面）、２７…固定電極、２８…可動電極

Claims (16)

1. 第１摺接面を有する第１接点と、
   第１摺接面に対応する第２摺接面を有する第２接点と、
   前記第１接点と第２接点とを接触または非接触のいずれかの状態に切り替える駆動部と、を備え、
   前記第１接点と第２接点との接触時において、前記第１接点および第２接点の少なくとも一方が、他方の摺接面の形状に倣って弾性的に変形しつつ摺動する
   有接点スイッチ。
2. 前記第１接点は信号線路に設けられた固定接点、前記第２接点は可動接点である、請求項１に記載の有接点スイッチ。
3. 前記第１摺接面は凸型または凹型の湾曲面のうちのいずれか一方、前記第２摺接面は凸型および凹型の湾曲面のうちのいずれか他方の形状をそれぞれ有する
   請求項２に記載の有接点スイッチ。
4. 前記凸型および凹型の湾曲面の最初に接触する部分の接線の傾きは互いに異なる、請求項３に記載の有接点スイッチ。
5. 前記凹型の湾曲面の接線の傾きは前記凸型の湾曲面の接線の傾きよりも大きい、請求項４に記載の有接点スイッチ。
6. 前記凹型の湾曲面は、奥側ほど曲率が大きい曲面を有し、前記凸型の湾曲面は前記凹型の湾曲面の曲率に倣って変形する、請求項３に記載の有接点スイッチ。
7. 前記凹型の湾曲面および前記凸型の湾曲面の最初に接触する部分に反り返し部を有する、請求項３に記載の有接点スイッチ。
8. 前記第１摺接面は凸型または凹型のＶ字形状のうちのいずれか一方、前記第２摺接面は凸型および凹型のＶ字形状のうちのいずれか他方の形状をそれぞれ有する、請求項１に記載の有接点スイッチ。
9. 前記第２接点は前記第１接点と同一の水平面上に配置され、前記第２接点が前記第１接点側に水平に変位する、請求項２に記載の有接点スイッチ。
10. 前記第２接点は前記第１接点の上方に配置され、前記第２接点が前記第１接点側に垂直に変位する、請求項２に記載の有接点スイッチ。
11. 前記第１接点および第２接点の組を並列して複数組有する、請求項１に記載の有接点スイッチ。
12. 前記第１摺接面および第２摺接面は、金（Ａｕ），アルミニウム（Ａｌ），ルテニウム（Ｒｕ）および白金（Ｐｔ）のうち少なくとも１種を母材とする合金からなる電極層により構成されている、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の有接点スイッチ。
13. 前記第１摺接面および第２摺接面は、金（Ａｕ）よりも高い硬度を有する金属薄膜の上にＡｕ薄膜を積層してなる電極層により構成されている、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の有接点スイッチ。
14. 信号線路に対して有接点スイッチを備え、
    前記有接点スイッチは、
    信号線路に設けられた、第１摺接面を有する固定接点と、
    第１摺接面に対応する第２摺接面を有する可動接点と、
    前記固定接点と可動接点とを接触または非接触のいずれかの状態に切り替える駆動部と、を備え、
    前記固定接点と可動接点との接触時において、前記固定接点および可動接点の少なくとも一方が、他方の摺接面の形状に倣って弾性的に変形しつつ摺動する
    半導体デバイス。
15. 信号線路に対して有接点スイッチを有する半導体デバイスを備え、
    前記有接点スイッチは、
    信号線路に設けられた、第１摺接面を有する固定接点と、
    第１摺接面に対応する第２摺接面を有する可動接点と、
    前記固定接点と可動接点とを接触または非接触のいずれかの状態に切り替える駆動部と、を備え、
    前記固定接点と可動接点との接触時において、前記固定接点および可動接点の少なくとも一方が、他方の摺接面の形状に倣って弾性的に変形しつつ摺動する
    モジュール。
16. 信号線路に対して有接点スイッチを有する半導体デバイスを備え、
    前記有接点スイッチは、
    信号線路に設けられた、第１摺接面を有する固定接点と、
    第１摺接面に対応する第２摺接面を有する可動接点と、
    前記固定接点と可動接点とを接触または非接触のいずれかの状態に切り替える駆動部と、を備え、
    前記固定接点と可動接点との接触時において、前記固定接点および可動接点の少なくとも一方が、他方の摺接面の形状に倣って弾性的に変形しつつ摺動する
    電子機器。

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