JP2011065880A - 微小電気機械素子デバイスおよびそれを用いた電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】封止枠と蓋を含む封止部を有する微小機械素子（ＭＥＭＳ）において、封止の密閉度および信頼性を向上させる。
【解決手段】基板１１０上に絶縁層１０９および保護層１０７を形成し、保護層１０７上に形成された、例えばスイッチのような微小電気機械素子１００であって、蓋１１００および封止枠１０９０からなる封止部によって気密封止されており、封止部をまたぐ配線１０４が、絶縁層内に形成され、配線１０４と、保護層１０７上に形成された配線１０２、１０３とをつなぐ、前記保護層１０７を貫通するビア配線１０５が形成されている素子である。封止部をまたぐ配線１０４が絶縁層１０９内に埋め込まれているため、封止枠１０９０を平坦な面に形成することができ、信頼性の高い気密封止が実現される。
【選択図】図２

Description

本発明は、微小電気機械素子デバイスおよび当該デバイスを用いた電気機器に関する。

微小電気機械素子（Micro Electro Mechanical Systems、以下「ＭＥＭＳ」と略すことがある）は、無線技術、光学技術、加速度センサ、およびバイオなど、多くの分野において多様な機能を発揮し得る。ＭＥＭＳは、とりわけ無線端末用のスイッチおよびフィルタなどの素子に適用するのに適している。

無線端末などの情報通信機器の普及が進むにつれて、一つの無線端末で各種通信方式に対応した小型端末の実現が望まれている。また、最近では、端末の筐体内に内蔵されるスイッチなどの受動部品数が増加する傾向にあるため、受動部品の小型化もまた望まれている。

これらの要望に応える部品として、MEMS技術を利用して作製される高周波微小電気機械（ＲＦ−ＭＥＭＳ）スイッチが有望視されている。RF−MEMSスイッチとは、微小な可動電極を動かし、機械的に信号の伝播経路を切り替えるスイッチである。その利点は、超低挿入損失、高アイソレーション、および線形性等の高周波特性が優れていることである。また、ＭＥＭＳスイッチは、半導体と親和性の良いプロセスで製造可能であるため、スイッチをＲＦ−ＩＣに内蔵することも可能である。これらの理由により、ＭＥＭＳスイッチの開発は、無線部分（wireless segment）の小型化に大きく貢献する技術として期待されている。

従来のＲＦ−ＭＥＭＳスイッチは、メンブレン（membrane）状または棒状の可動体を両持ちもしくは片持ち梁構造の可動体を電極に接触させる、あるいは離間させることにより、機械的に信号の伝搬経路を切り替える。従来のＲＦ−ＭＥＭＳスイッチの多くは、可動体の駆動力源として、静電気力を用いている。他の駆動力源として電磁気力を用いたＲＦ−ＭＥＭＳスイッチも提案されている。

ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチの一つの型として、シリーズ型スイッチがある。シリーズ型ＲＦ−ＭＥＭＳは、可動電極と駆動電極とを有し、可動電極においては、高周波信号が伝達される信号線路の延長上に位置し、信号電極から離間した長さ数百μｍ程度の微細なメンブレンが形成されている。可動電極の先端はオープン状態となっている。当該可動電極のメンブレンが位置しない部分の直下には駆動電極が設けられている。駆動電極に直流電位を印加すると、可動電極が駆動電極側に静電引力により引き付けられて撓み、信号を出力する信号線路と接触する。信号線路間はショート状態となり、高周波信号は可動電極を介して流れる（即ち、ＯＮ状態となる）。駆動電極に直流電位を印加しない状態では、可動電極と信号線路は接触せず、高周波信号は遮断される（即ち、ＯＦＦ状態となる）。

ＭＥＭＳスイッチ等のＭＥＭＳは、一般に、その信頼性を向上させるために、気密性封止を必要とする。具体的には、封止内の雰囲気を、窒素またはアルゴンなどの不活性ガスで置換し、清浄な環境を維持することが、ＭＥＭＳの信頼性を向上させるのに有効である。また、機械的共振を得るデバイスにおいては、高い機械的Ｑ値を実現するために、封止内を真空にする必要がある。

図７および図８に、従来の封止されたＭＥＭＳの構成を示す。図７は、上面図（蓋は図示せず）であり、図８は、図７におけるＡ−Ａ’断面を示す横断面図、図９は、図７におけるＢ−Ｂ’断面を示す横断面図である。

図７〜９は、前記ＭＥＭＳスイッチの構成を示す。このＭＥＭＳスイッチ５００においては、基板５１０上に層間絶縁膜となる絶縁層５０９が設けられ、絶縁層５０９の上に保護層５０７が設けられ、保護層５０７の上に、駆動電極５０２および信号電極５０３が設けられている。さらに、これらの電極と対向し、これらの電極から離間する部分を有する可動電極５０１が設けられている。可動電極５０１の一部が、駆動電極５０２および信号電極５０３から離間した構成は、犠牲層を用いたエッチング加工により形成される。このエッチング加工工程においては、犠牲層除去に伴う下地の絶縁層５０９の意図しないエッチングを避けるため、絶縁層５０９上に保護層５０７が形成されている。保護層５０７は絶縁体から成る。

図８および図９に示すように、このＭＥＭＳスイッチ５００は、封止枠５０９０と蓋５１００によって封止されている。封止枠５０９０と蓋５１００との間には、必要に応じて密着層５０８０が設けられて、両者をより良好に密着させる。また、封止枠５０９０と保護層５０７との間の接合を確実にするために、封止枠５０９０と保護層５０７との間には導電性材料からなる導電膜５０８が設けられる。

このＭＥＭＳスイッチにおいては、保護層５０７の表面に、ＭＥＭＳスイッチの可動電極５０１、駆動電極５０２、および信号電極５０３と、他の部品（例えば電源）との電気的接続を行う配線が形成されている。そのため、配線上に封止枠５０９０を形成する形で、配線を、封止の外側へ取り出す構成が採用されている。

また、微小電気機械素子である別の形態のスイッチとして、静電型リレーが、特許文献１に開示されている。特許文献１に記載のスイッチは、弾性的に支持された可動電極を静電気力に基づいて固定電極に面接触させる構成である。特許文献１はまた、信号線を固定基板の基板表面から基板裏面に貫通させる貫通部を設ける構成を開示している。

国際公開第ＷＯ０１／８２３２３号

図７〜９に示す構成の封止を形成する場合、配線段差上に封止枠１０９０を形成する工程において、配線段差への封止枠１０９０の材料の進入が不足し、空洞５０１０の発生および密着性の低下が課題となる。空洞５０１０の発生および密着性の低下は、気体の導通経路が発生する原因となり、封止の密閉度および信頼性を低下させる。同様の問題は、特許文献１に記載された封止構成においても発生する。

本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、ＭＥＭＳの高信頼性気密封止の実現を図ることを目的とする。

第１の要旨において、本発明は、封止部を有する微小電気機械素子デバイスであって、
基板上に絶縁層および保護層が形成され、前記保護層上に微小電気機械素子が形成されており、
前記封止部は基板上の一定領域を封止し、
前記封止部をまたぐ配線が、絶縁層内に形成され、
前記配線と、前記保護層上に形成された前記電極および／または他の要素とをつなぐ、前記保護層を貫通するビア配線が形成されている、
微小電気機械素子デバイスを提供する。

本発明の微小電気機械素子（ＭＥＭＳ）デバイスは、封止部をまたぐ配線、すなわち、封止部の外部に位置する要素と封止部の内部に位置する要素とを電気的につなぐ配線が絶縁層内に形成されていることを特徴とする。この構成により、密閉度および信頼性を低下させる原因となる封止枠上の配線段差を排除することができる。また、段差の影響を大きく受けることなく、封止枠を基板に接合する工程を実施することができる。

本発明のＭＥＭＳにおいては、前記ビア配線の表面、および前記ビア配線と前記保護層との境界を覆う保護膜が、少なくとも前記封止部と前記保護層との間に設けられていることが好ましい。保護膜は、ビア配線が電極または他の要素で覆われていない場合（例えば、封止部の直下にビア配線が位置する場合）において、微小電気機械素子の犠牲層除去の工程の間、ビア配線と保護層の界面からのエッチャントの進入を防ぐ。また、ビア配線が封止部の直下に位置する場合において保護膜が存在すると、封止枠および蓋とビア配線との間で電気的導通を得ることが可能となり、封止部材に電気信号を入力することができる。ＭＥＭＳが高周波信号の伝送線路を形成するスイッチとして機能する場合、封止部材を接地することによって、挿入損失を低減することができる。

第２の要旨において、本発明はまた、封止部を有する微小電気機械素子デバイスであって、
基板上に絶縁層および保護層が形成され、前記保護層上に微小電気機械素子が形成されており、
前記封止部は、基板上の一定領域を封止し、
前記封止部をまたぐ配線が、前記保護層と前記基板との間に形成され、
前記配線と、前記保護層上に形成された前記電極および／または他の要素とをつなぐ、前記保護層を貫通するビア配線が形成され、
前記封止部をまたぐ配線およびビア配線が前記絶縁層で覆われていない、
微小電気機械素子デバイスを提供する。

この構成のＭＥＭＳデバイスにおいては、第１の要旨に係るＭＥＭＳデバイスと同様に、封止部をまたぐ配線が保護層の下に位置するので、密閉度および信頼性の向上した封止が形成される。また、このＭＥＭＳは、絶縁層による高周波信号の誘電体損失の発生を回避または軽減することを可能にし、もって挿入損失を低減することができる。このＭＥＭＳにおいても、前記ビア配線の表面、および前記ビア配線と前記保護層との境界を覆う保護膜が、前記封止部と前記保護層との間に設けられていることが好ましい。

前記保護膜は、W、Ti、TiN、またはTaNから成ることが好ましい。それらの材料から成る保護膜は、微小電気機械素子の製造において犠牲層除去工程で使用されるエッチャントに対して耐性を有し、且つ封止部と保護層との密着性を高くし得る。

前記保護層は、Si₃N₄、またはSiCから成ることが好ましい。それらの材料から成る保護層は、犠牲層除去エッチングによる下地の絶縁層の意図しないエッチングをより効果的に避けることを可能にする。

本発明はまた、前記本発明のＭＥＭＳデバイスを有する電気機器を提供する。本発明の電気機器は、ＭＥＭＳが高度に封止されているため、異物の侵入による故障または性能低下が有効に防止されるとともに、封止の雰囲気が所望のものに長時間保持されて、高い信頼性を示す。

本発明は、従来実現困難であった高信頼性気密封止を実現し、高信頼性のＭＥＭＳおよびそれを用いた電気機器を実現する。

本発明の実施の形態１におけるＭＥＭＳの構成を示す上面図 図１におけるＡ−Ａ’断面を示す横断面図 図１におけるＢ−Ｂ’断面を示す横断面図 本発明の実施の形態２におけるＭＥＭＳの製造方法を示す横断面図 本発明の実施の形態２におけるＭＥＭＳの製造方法を示す横断面図 本発明の実施の形態３におけるＭＥＭＳの構成を示す上面図 従来のＭＥＭＳの構成を示す上面図 図７におけるＡ−Ａ’断面を示す横断面図 図７におけるＢ−Ｂ’断面を示す横断面図

以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるＭＥＭＳの構成を示す上面図であり、図２は、図１におけるＡ−Ａ’断面を示す横断面図、図３は、図１におけるＢ−Ｂ’断面を示す横断面図である。

図１乃至図３に示すＭＥＭＳ１００は、いわゆるＭＥＭＳスイッチであり、高周波信号の伝搬経路を切り替える素子である。このＭＥＭＳにおいては、基板１１０上に層間絶縁膜となる絶縁層１０９が設けられ、絶縁層１０９の上に保護層１０７が形成され、保護層１０７の上に、信号電極１０３と駆動電極１０２が形成されている。これらの電極と対向し、これらの電極から離間する部分を有する可動電極１０１が設けられている。可動電極１０１の一部が駆動電極１０２および信号電極１０３から離間した構成（中空構造）は、犠牲層を用いたエッチング加工により形成される。このエッチング加工において、犠牲層除去に伴う下地の絶縁層１０９の意図しないエッチングを避けるため、絶縁層１０９上に保護層１０７が形成されている。保護層１０７は絶縁体から成る。保護層の材料として、Si₃N₄およびSiCが挙げられる。絶縁層１０９の厚さは、例えば、１μｍ〜５μｍであり、保護層１０７の厚さは、例えば、１００ｎｍ〜５００ｎｍである。

このＭＥＭＳスイッチは、封止部を有する。封止部は、一般に機械的動作が生じる領域を封止する。本形態において、封止部は、封止枠１０９０と蓋１１００とを含み、可動電極１０１と駆動電極１０２の周囲を囲む形で形成されている。封止枠１０９０と蓋１１００の接合界面には、密着性を高める密着層１０８０が形成されている。密着層１０８０の材料は、蓋１１００の材料および封止枠１０９０の材料に応じて、導電性材料から適宜選択される。密着層１０８０は、例えば、蓋１１００の表面の封止枠が形成される部分に形成される。密着層１０８０は、単層であってよく、または積層（例えば、チタン／銅）であってよい。封止部は、例えば、基板（例えば、シリコン基板）を蓋１１００として用意し、基板の上に密着層を設けた後、密着層上に封止枠１０９０を成膜する方法で作製される。封止枠の高さは、封止する素子の寸法等に応じて選択される。

スイッチがＯＦＦの状態においては、可動電極１０１と駆動電極１０２の間に駆動電圧Ｖ_ｄは印加されない。可動電極１０１は変位していない初期位置にあり、信号電極１０３と接触しておらず、入力ポートと出力ポートの間には信号の導通経路は形成されない。より具体的には、信号電極１０３と可動電極１０１との間にエアーギャップを介して形成された静電容量Ｃ_ｃは小さい値となるので、高周波信号が伝播する場合、交流的にインピーダンスの高い状態となる。このため、高周波信号の電力は大きく減衰し、入力ポートと出力ポートの間を高周波信号が伝播できない状態となる。

一方、スイッチがＯＮの状態においては、可動電極１０１と駆動電極１０２との間に駆動電圧Ｖ_ｄを印加する。それにより静電気力が作用して、可動電極１０１は基板１１０側に引き込まれ、可動電極は信号電極１０３と接触させられる。可動電極１０１と信号電極１０３との間が接触が、金属接触による抵抗結合型である場合、抵抗Ｒ_ｃが低い値となり、信号の導通経路が形成され、信号は入力ポートから出力ポートへ伝播する。

ＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替える場合、可動電極１０１の電位と駆動電極１０２の電位を同じにして静電気力を排除し、可動電極１０１は自己の持つバネ力により元の初期位置に戻る。このようにして信号の伝播経路の開閉を行う。

次に、本発明のＭＥＭＳ１００における封止について説明する。
実施の形態１のＭＥＭＳにおいては、封止部をまたぐ配線が、絶縁層１０９内に形成されている。この絶縁層内に形成されている配線を、埋め込み配線１０４と呼ぶ。埋め込み配線１０４はビア配線１０５（１０５Ａ、１０５Ｂ）とともに、封止部の内部の保護層１０７上に形成された可動電極１０１、駆動電極１０２および封止部の内部の信号電極１０３と、封止部の外部の信号電極１０６とを電気的に接続している。ビア配線１０５は、封止部の外部の他の要素または封止部の内部の他の要素の直下に位置し、当該他の要素と、埋め込み配線とを接続するものであってよい。ビア配線１０５は埋め込み配線１０４上の絶縁層１０９および保護層１０７を貫通し、絶縁層１０９の一部に入っている。埋め込み配線１０４を設けると、封止部をまたぐ配線が保護層１０７の表面に存在しないこととなる。即ち、埋め込み配線の構成を採用することによって、配線段差に起因する、密閉度および信頼性の低下を回避または軽減することができる。また、段差の影響を受けることなく、封止部を接合する工程を実施できる。また、埋め込み配線１０５上の絶縁層１０９を、CMP（Chemical Mechanical Polishing）により平坦化すると、封止部が接する部分において、段差をより小さくする又は無くすことができ、より良好な封止を達成できる。

図２に示すように、封止部（即ち、封止枠１０９０）の直下に位置するように、ビア配線１０５Ｂを設けてよい。図１に示すように、このビア配線１０５Ｂは、信号電極１２０と接続されている。その場合、ビア配線１０５Ｂの表面を覆い、かつビア配線１０５Ｂと保護層１０７との境界を覆う保護膜１０８が、封止枠１０９０と保護層１０７との間に設けられていることが好ましい。保護膜１０８は、犠牲層除去に用いるエッチャントが、ビア配線１０５Ｂと保護層１０７との境界から進入することを防止して、ビア配線１０５Ｂを保護する。ビア配線１０５Ｂは、封止枠１０９０および蓋１１００を、埋め込み配線１０４と、電気的に導通させ得るので、封止部から電気的信号を送り、例えば、封止部を構成する蓋１１００および／または封止枠１０９０を、接地させることができる。それにより、挿入損失を低減させることができる。保護膜１０８の形成は、封止部の直下に位置するビア配線だけではなく、駆動電極、信号電極、または他の要素に覆われていない、他のビア配線の保護にも有効である。よって、保護膜１０８は、封止部と保護層との間だけでなく、他の部分に形成されてよい。保護膜１０８はまた、保護層１０７と封止枠１０９０の密着性向上にも寄与し得る。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２として、本発明のＭＥＭＳを製造する方法を説明する。図４および図５は、本発明のＭＥＭＳの製造方法を示す横断面図である。

図４（ａ）は、基板１１０上に、絶縁層１０９から可動電極１０１までの層が形成された段階を示す横断面図である。図４（ｂ）は、可動電極１０１を中空に架橋するために、犠牲層１１１をエッチングして除去する工程を示す横断面図である。図５は、封止枠１０９０を形成した蓋１１００を、ＭＥＭＳが形成された基板１１０に接合して、基板の表面の一部領域を封止する工程を示す横断面図である。

埋め込み配線１０４は絶縁層を二段階で形成し、一段目の絶縁層を形成してその表面に配線層を形成し、それから、二段目の絶縁層を形成することにより形成される。ビア配線１０５は、保護層１０７まで形成した後、孔を、例えば、エッチングにより形成し、それから孔に導電性材料を充填することにより形成する。可動電極１０１は、まず保護層１０７と接する部分を形成し、犠牲層１１１を形成してから、ホールを作り、可動電極１０１の材料をホールに充填して、厚さ方向と平行な部分を形成し、それから、犠牲層１１１の表面に中空構造となる部分を形成することにより形成される。その他の層は、常套の薄膜形成手法（例えば、スパッタリング、蒸着、またはＣＶＤ等）、フォトリソグラフィ、およびエッチングを組み合わせて、所望のパターンで形成することができる。

ビア配線１０５が、可動電極１０１、駆動電極１０２または信号電極１０３のいずれにも覆われていないと、犠牲層除去の工程において、ビア配線１０５と保護層１０７の界面よりエッチャントが侵入し、下地の絶縁層１０９が意図せず除去される場合がある。そのため、そのようなビア配線１０５と保護層１０７の界面とが覆われるように保護膜１０８を形成し、エッチャントの進入を防ぐ。保護膜１０８の材料は、微小電気機械素子の犠牲層除去に用いられるエッチャントに対する耐性を有し、且つ封止枠１０９０と密着性の高い材料で構成される。そのような材料として、好ましくは、W、Ti、TiN、およびTaNが挙げられる。

（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３における微小電気機械素子用封止の構成を示す横断面図である。

図示したＭＥＭＳ２００は、保護層１０７にエッチング・ホール２０１が形成され、犠牲層を除去する工程において、下地の絶縁層１０９の一部が除去された構造となっている点で、実施の形態１のＭＥＭＳとは異なる。より具体的には、信号電極１０６、１０３に接続されたビア配線１０５（１０５Ａ、１０５Ｂ）、および埋め込み配線１０４の周囲の絶縁層１０９が除去されていて、絶縁層１０９を構成する絶縁材料と接触していない。即ち、ビア配線１０５および埋め込み配線１０４を伝搬する高周波信号により発生する電磁界中に位置する絶縁層の部分が取り除かれていて、空洞が形成され、当該空洞にビア配線および埋め込み配線が配置されている。本構成により、絶縁層による高周波信号の誘電体損失の発生を回避することができ、挿入損失を低減することができる。除去する絶縁層１０９の量（即ち、除去する絶縁層１０９の寸法）は、エッチング・ホール２０１の位置、寸法および数によって調節できる。

このように、ＭＥＭＳ１００、２００によれば、従来実現困難であった高信頼性の気密封止が実現されたＭＥＭＳおよびそれを用いた電気機器を提供することが可能となる。本発明は、スイッチ以外のＭＥＭＳ（例えば、加速度センサ、角速度センサ、赤外線センサ、共振器、発電器）にも適用可能である。

本発明に係る微小電気機械素子デバイスは、高信頼性であり、通信機器等の電気機器の部品として有用である。

１００、２００、５００ 微小電気機械素子（ＭＥＭＳ）
１０１ 可動電極
１０２ 駆動電極
１０３、１０６ 信号電極
１０４ 埋め込み配線
１０５、１０５Ａ、１０５Ｂ ビア配線
１０７ 保護層
１０８ 保護膜
１０８０ 密着層
１０９ 絶縁層
１０９０ 封止枠
１１０ 基板
１１００ 蓋
１１１ 犠牲層
５０１ 可動電極
５０２ 駆動電極
５０３ 信号電極
５０７ 保護層
５０８ 導電膜
５０８０ 密着層
５０９ 絶縁層
５１０ 基板
５０９０ 封止枠
５１００ 蓋
５０１０ 空洞部

Claims (6)

1. 封止部を有する微小電気機械素子デバイスであって、
   基板上に絶縁層および保護層が形成され、前記保護層上に微小電気機械素子が形成されており、
   前記封止部は基板上の一定領域を封止し、
   前記封止部をまたぐ配線が、絶縁層内に形成され、
   前記配線と、前記保護層上に形成された電極および／または他の要素とをつなぐ、前記保護層を貫通するビア配線が形成されている、
   微小電気機械素子デバイス。
2. 封止部を有する微小電気機械素子デバイスであって、
   基板上に絶縁層および保護層が形成され、前記保護層上に微小電気機械素子が形成されており、
   前記封止部は、基板上の一定領域を封止し、
   前記封止部をまたぐ配線が、前記保護層と前記基板との間に形成され、
   前記配線と、前記保護層上に形成された電極および／または他の要素とをつなぐ、前記保護層を貫通するビア配線が形成され、
   前記封止部をまたぐ配線およびビア配線が前記絶縁層で覆われていない、
   微小電気機械素子デバイス。
3. 前記保護層は、Si₃N₄、またはSiCから成る、請求項１または２に記載の微小電気機械素子デバイス。
4. 前記ビア配線の表面、および前記ビア配線と前記保護層との境界を覆う保護膜が、少なくとも前記封止部と前記保護層との間に設けられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の微小電気機械素子デバイス。
5. 前記保護膜は、W、Ti、TiN、またはTaNから成る、請求項４に記載の微小電気機械素子デバイス。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の微小電気機械素子デバイスを含む、電気機器。

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