JP3449334B2 - マイクロマシンスイッチおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロマシンス
イッチおよびその製造方法に関し、特にＤＣ（直流）か
らギガヘルツ以上の広い信号周波数をオン／オフ可能と
するマイクロマシンスイッチおよびその製造方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ロックウェル・インターナショナ
ル・コーポレイションのユン・ジェイソン・ヤオの「微
細電気機械スイッチ」（特開平９−１７３００号公報）
に記載の発明を例にして、従来技術を説明する。

【０００３】図１８は、特開平９−１７３００号公報に
開示されたマイクロマシンスイッチの平面図（ａ）およ
びそのＥ−Ｅ’線断面図を示す。同図に示すように、ガ
リウムヒ素からなる基板５１上には、熱硬化ポリイミド
からなるアンカー構造５２と、金からなる下部電極５３
と、金からなる信号線５４とが設けられている。

【０００４】そして、アンカー構造５２の上にはシリコ
ン酸化膜からなる片持ちアーム５５が設けられ、この片
持ちアーム５５は、下部電極５３を越えて信号線５４の
位置まで延在しており、これらと空間的な隙間を介して
対向している。

【０００５】片持ちアーム５５の上側には、アルミから
なる上部電極５６がアンカー構造５２から下部電極５３
に対向する位置まで作製されている。また、片持ちアー
ム５５の下側には、信号線５４に対向する位置に金から
なる接触電極５７が設けられている。

【０００６】さて、このような構造をしたマイクロマシ
ンスイッチにおいて、上部電極５６と下部電極５３との
間に３０Ｖの電圧を印加すると、静電気力により上部電
極５６に基板方向（矢印５８の下向き）に引力が働く。
このため、片持ちアーム５５が基板側に変形し、接触電
極５７が信号線５４の両端と接触する。

【０００７】通常の状態では、図１９（ｂ）に示すよう
に、接触電極５７と信号線５４との間には隙間が設けら
れ、したがって２本の信号線５４は互いに切り離されて
いる。このため、下部電極５３に電圧が印加されない状
態では、信号線５４に電流は流れない。

【０００８】しかし、下部電極５３に電圧が印加されて
接触電極５７が信号線５４と接触した状態では、２本の
信号線５４は短絡し、両者の間を電流が流れることがで
きる。したがって、下部電極５３への電圧印加によっ
て、信号線５４を通る電流あるいは信号のオン／オフを
制御することができる。

【０００９】ただし、スイッチの損失を低減させるため
には、上部電極５６と接触電極５７とが電気的に十分に
絶縁されていることが重要である。すなわち、もし上部
電極５６と接触電極５７が電気的に短絡していれば、信
号線５４を流れる信号（ＤＣを含む）が上部電極５６に
も流れ出てしまう。

【００１０】また、上部電極５６と接触電極５７とが短
絡していなくとも、静電容量がかなり大きいような状態
では、信号線５４を流れる交流信号がやはり上部電極５
６に流れて外部に漏洩する。このように、上部電極５６
と接触電極５７との絶縁が十分でないときには、信号の
漏れが大きくなり、スイッチの特性が悪くなる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来のマイクロマシンスイッチには、以下の問題点があ
ることが判明した。スイッチをオンさせる（すなわち、
接触電極５７が信号線５４に接触する）ためには、片持
ちアーム５５の復元力に勝る静電気力を発生するよう
に、上部電極５６と下部電極５３との間に充分な電圧を
印加させることが必要である。その際、この静電気力
は、上部電極５６と下部電極５３との間の距離（正確に
はこの距離から片持ちアーム５５の厚さを減じた値）の
二乗に反比例するため、両者の電極間の距離を小さく設
計することが重要である。

【００１２】ところで、従来例の構造では、図１８
（ｂ）に示すように上部電極５６と下部電極５３との間
の距離は、片持ちアーム５５の厚さに加え、さらに接触
電極５７と信号線５４との間の距離よりも接触電極５７
の厚さだけ大きくなる。例えば、高周波応用において信
号の損失を少なくするためには、接触電極５７および信
号線５４の厚さを２μｍ程度にする必要がある。

【００１３】また、オフ時に信号線５４と接触電極５７
との静電容量的結合を小さくするため、両者を４μｍ以
上離した構成にする必要がある。このため、上部電極５
６と下部電極５３とは、片持ちアーム８の厚さに加えて
６μｍ程度離して配置されることになる。

【００１４】このとき、上部電極５６と下部電極５３と
の重なる領域を１０，０００μｍ²とし、片持ちアーム
８の幅を２０μｍ、長さを１３０μｍで設計すると約１
００Ｖもの高い電圧が必要とされることが、本願発明者
等によって確認された。もちろん、片持ちアーム８の長
さを長くしたり、幅を小さくしたりすることにより、片
持ちアーム８の復元力を小さくするように設計すること
も可能であるが、これはデバイスの作製途中あるいはデ
バイスの動作中に片持ちアーム８が破損してしまうおそ
れがある。

【００１５】一方、上部電極５６と下部電極５３との重
なる領域を大きくすることにより、大きな静電気力を発
生させることができ、印加電圧を低減させることが可能
であるが、それではデバイス全体が大きくなってしま
う。従来例ではこのような方法で印加電圧の低減を実現
しているが、この方法は明らかにデバイス全体の寸法が
大きくなるという代償を払ったものであり、スイッチの
小型化に関して大きな限界がある。

【００１６】また、１００Ｖもの高い電圧が必要とされ
ることから、絶縁破壊によりデバイスが破壊されないよ
うに、片持ちアーム８の膜質を良質なものにすることが
必要とされる。しかし、従来例のように、金からなる接
触電極５７の上に酸化膜の片持ちアーム８を低温堆積プ
ロセス（２５０℃以下のプラズマＣＶＤプロセス）によ
って作製するような方法では、充分の耐圧特性を持った
酸化膜を形成することは困難である。

【００１７】また、印加電圧が高くなると、駆動用の回
路で消費される電力が増大するため、特に多数のスイッ
チを配列するというアンテナ等の用途に従来例のマイク
ロスイッチを応用することができないことがわかった。

【００１８】本発明は、このようなを課題を解決するた
めのものであり、従来よりも低い駆動電圧で動作可能な
マイクロマシンスイッチおよびその製造方法を提供する
ことを主な目的とする。また、本発明は、印加電圧を下
げることができない場合に備え、絶縁体膜の耐圧特性を
上昇させることによってデバイス特性を改善することを
その他の目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明に係るマイクロマシンスイッチの一態
様は、基板上に設けられた第１の信号線と、前記基板上
に設けられかつ前記第１の信号線の端部から所定のギャ
ップを隔てて端部の設けられた第２の信号線との間の導
通／非導通を制御するマイクロマシンスイッチにおい
て、前記基板上に設けられた支持部材と、この支持部材
に接続してかつ一部が前記ギャップと対向するように前
記基板上に空間を隔てて設けられた梁部材と、この梁部
材の前記基板側における少なくとも前記ギャップと対向
する位置に設けられた接触電極と、前記基板上に前記梁
部材の一部と対向して設けられた下部電極と、前記梁部
材に前記下部電極と対向して設けられた中間電極とを備
え、前記下部電極を前記中間電極に向かい合う面積が互
いに等しい複数の櫛歯状の電極によって構成している。
または、前記基板上に設けられた支持部材と、この支持
部材に接続してかつ一部が前記ギャップと対向するよう
に前記基板上に空間を隔てて設けられた梁部材と、この
梁部材の前記基板側における少なくとも前記ギャップと
対向する位置に設けられた接触電極と、前記基板上に前
記梁部材の一部と対向して設けられた下部電極と、前記
梁部材に前記下部電極と対向して設けられた中間電極と
を備え、前記梁部材の一部に設けられた上部電極を前記
下部電極に向かい合う面積が互いに等しい複数の櫛歯状
の電極によって構成している。

【００２０】また、本発明はその他の態様として以下に
示す構成を含むものである。すなわち、前記梁部材は、
前記支持部材との接続部分から少なくとも前記下部電極
と対向する位置までの領域が導電性部材からなる。ま
た、前記導電性部材は、半導体材料よりなる。また、前
記半導体材料は、単結晶の半導体である。また、前記半
導体材料は、アモルファス半導体または多結晶半導体で
ある。また、前記支持部材と前記梁部材との接続部分
は、その表面におけるなす角が鈍角である。また、前記
接触電極は、前記第１および第２の信号線と容量接続可
能な絶縁体膜によって覆われている。

【００２１】また、前記基板は、ガラス基板またはセラ
ミック基板である。また、前記基板は、ガリウムヒ素基
板である。また、前記下部電極と対向する前記導電性部
材の一部に上部電極を設け、前記中間電極は、前記上部
電極と電気的に短絡され、前記上部電極は、電気的に浮
遊した状態にある。

【００２２】また、前記マイクロマシンスイッチは、フ
ェーズドアレイアンテナ装置に使用される。また、前記
梁部材を支持する複数の支持部材を備える。さらに、前
記梁部材は、前記支持部材との接続部分から前記下部電
極と対向する位置までの領域を少なくとも２種以上の材
料からなる多層構造から構成している。

【００２３】次に、本発明に係るマイクロマシンスイッ
チの製造方法は、基板上に設けられた第１の信号線と、
前記基板上に設けられかつ前記第１の信号線の端部から
所定のギャップを隔てて端部の設けられた第２の信号線
との間の導通／非導通を制御するマイクロマシンスイッ
チの製造方法において、前記基板上に下部電極を形成す
る工程と、所定の高さを有する支持部材とこの支持部材
に接続する梁部材、前記梁部材に設けられた接触電極、
および前記梁部材に設けられた中間電極からなる部材
を、前記接触電極が前記ギャップと対向するとともに前
記第１および第２の信号線と離間した状態で前記基板上
に接着する工程とを有し、前記下部電極を前記中間電極
に向かい合う面積が互いに等しい複数の櫛歯状の電極に
よって構成している。または、前記基板上に下部電極を
形成する工程と、所定の高さを有する支持部材とこの支
持部材に接続する梁部材、前記梁部材に設けられた接触
電極、および前記梁部材に設けられた中間電極からなる
部材を、前記接触電極が前記ギャップと対向するととも
に前記第１および第２の信号線と離間した状態で前記基
板上に接着する工程とを有し、前記梁部材の一部に設け
られた上部電極を前記下部電極に向かい合う面積が互い
に等しい複数の櫛歯状の電極によって構成している。

【００２４】また、本発明はその他の態様として以下に
示す構成を含む。すなわち、前記梁部材は、前記支持部
材との接続部分から少なくとも前記下部電極と対向する
位置までの領域が導電性部材からなる。また、前記導電
性部材を、半導体材料より形成する。また、前記半導体
材料を、単結晶の半導体とする。また、前記半導体材料
を、アモルファス半導体または多結晶半導体とする。ま
た、前記支持部材と前記梁部材との接続部分を、その表
面におけるなす角が鈍角となるように形成する。また、
前記接触電極を、前記第１および第２の信号線と容量接
続可能な絶縁体膜によって覆う。また、前記基板を、ガ
ラス基板またはセラミック基板とする。また、前記基板
を、ガリウムヒ素基板とする。また、前記下部電極と対
向する前記導電性部材の一部に上部電極を設け、前記中
間電極は、前記上部電極と電気的に短絡され、前記上部
電極は、電気的に浮遊した状態にある。また、前記マイ
クロマシンスイッチは、フェーズドアレイアンテナ装置
に使用される。また、前記梁部材を支持する複数の支持
部材を備える。さらに、前記梁部材は、前記支持部材と
の接続部分から前記下部電極と対向する位置までの領域
を少なくとも２種以上の材料からなる多層構造から構成
している。

【００２５】このように本発明は、中間電極を設けるこ
とにより、上部電極と下部電極との間の距離を実質的に
短くすることにより、スイッチの駆動電圧を低減させる
ものである。例えば、接触電極と同じ厚さの中間電極を
絶縁体膜を挟んで上部電極の下側に設ける。この中間電
極は外部の電圧回路と直接接続されていないとする。上
部電極と下部電極との間に電圧（Ｖ）を印加したときに
は、中間電極の電位は以下の式から計算される。

【００２６】Ｖ・Ｃ₁ ／（Ｃ₁ ＋Ｃ₂ ）

【００２７】ここで、中間電極と上部電極との間の静電
容量をＣ₁ 、中間電極と下部電極との間の静電容量をＣ
₂ とした。Ｃ₁ はＣ₂ よりも大きいので、中間電極の電
位はほぼ上部電極と等しい値となる。

【００２８】この中間電極を上述の従来例のケースに当
てはめると、中間電極と下部電極との間の距離は、接触
電極と信号線との間の距離の４μｍに等しい。このと
き、電圧を印加する電極の距離が実質的に２／３（＝４
［μｍ］／６［μｍ］）に減少するため、必要とされる
電圧も約６７Ｖと従来例の２／３に減少させることが可
能となる。

【００２９】さらに、この中間電極は、接触電極の作製
と同時に作製することができるため、デバイスの製造コ
ストを少しも上昇させないという長所があることが特筆
される。中間電極の構造は、以下の実施例で詳しく述べ
るように種々の変更が可能であり、それぞれ大きな特徴
を有する。

【００３０】このように本発明は、従来よりも低い印加
電圧で駆動させることができるとともに、絶縁体膜の耐
圧特性を上昇させることによってデバイス特性を改善す
ることができる。

【００３１】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て説明する。

【００３２】［第１の実施の形態］ 図１は、本発明の第１の実施の形態を示す平面図であ
る。同図に示すようにマイクロマシンスイッチは、信号
線３ａに接続されるとともに片持ちアーム８および上部
電極９を備えた支持部材７と、片持ちアーム８に接続さ
れた絶縁性部材６と、絶縁性部材６を介して対向する接
触電極５および補強部材１０とで構成されている。片持
ちアーム８と上部電極９と絶縁性部材６とから梁部材が
構成される。接触電極５の直下には信号線３が配置され
ている。絶縁性部材６を介して上部電極９と対向する位
置には、図示しない中間電極が設けられ、この中間電極
の直下には２個の下部電極４ａ，４ｂが配置されてい
る。図１に示すように、本実施の形態は、下部電極が図
示しない中間電極の下側で電気的に二つの異なる電位を
持つことが可能となるように、下部電極４ａ，４ｂに分
離していることが特徴である。

【００３３】本実施の形態の構造では、印加電圧は下部
電極４ａ，４ｂ間にかけられ、上部電極９につながる支
持部材７は電気的に浮いた状態である。このとき、二つ
の下部電極４ａおよび４ｂの間に印加された電圧の半分
が、下部電極４ａおよび４ｂと中間電極との間に働くこ
とになる。

【００３４】このため、静電引力となってスイッチを閉
じるのに役立つ電圧が半分に減少するため、後述の第４
の実施の形態の場合の２倍の電圧を印加することによ
り、スイッチを閉じることができる。一方、上部電極９
が浮いた状態であるため、上部電極９と下部電極４ａお
よび４ｂとの間の絶縁性部材６が高圧のために破壊され
るという問題は生じない。そして、なによりも支持部材
７に電位を与えるための信号線３ａを接続する必要がな
いため、デバイス全体としての配線が非常に簡略化され
るという長所がある。

【００３５】なお、支持部材７を電気的に浮かせた状態
での駆動方法は、周囲の配線の影響を受けるということ
がときには問題となることがあるが（例えば、多数のス
イッチを配置した場合、各スイッチにおける駆動電圧が
異なることがある）、本実施の形態においては周囲の影
響をあまり受けることなくスイッチを駆動させることが
できる。また、本実施の形態では、上部電極６を片持ち
アーム８と接続させた例を示したが、中間電極１５の電
位を二つの下部電極４ａおよび４ｂによって決めること
ができるで、この上部電極９を省略することができる。
また、上部電極９を単に補強板として利用することもで
きるし、片持ちアーム８と切り離してもよい。さらに、
支持部材７、片持ちアーム８、さらに上部電極９を絶縁
体あるいは高抵抗の半導体等の材料を使って作製するこ
ともできる。

【００３６】［第２の実施の形態］図２は、本発明の第
２の実施の形態を示す平面図である。同図において、図
１における同一符号のものは同一または同等の構成要素
を示す。図２に示すように、本実施の形態は、中間電極
１５の下側で電気的に二つの異なる電位を持つことが可
能な下部電極４ｃ，４ｄが櫛歯構造になっている。

【００３７】第１の実施の形態では、スイッチ本体部１
４を接着する際に、下部電極４ａ，４ｂが向かい合った
部分が上部電極９のちょうど真ん中に位置するようにし
なければならない。すなわち、中間電極１５と下部電極
４ａ，４ｂとの重なる領域が等しい大きさにならない
と、中間電極１５の電位が二つの下部電極の電圧の半分
にならず、領域の大きな下部電極の方に引き寄せられる
ことがある。そして、片持ちアーム８にねじれの変位が
生じる恐れがある。

【００３８】そこで、本実施の形態ではこのような問題
を解決するため、下部電極を櫛歯構造とすることによ
り、スイッチ本体部１４を接着する際に若干のずれが生
じても、下部電極と上部電極との重なる領域の大きさが
等しくなるようにしている。なお、櫛歯の数は図示した
例に限られるものではなく、さらに多数の櫛歯を設ける
ことができる。また、櫛歯の方向も任意に変えることが
できる。なお、図１、２に関して述べた実施の形態にお
ける電極の分離は、下部電極に限られるものではない。
すなわち、同様に上部電極を二つ以上に電気的に分離し
てもよいし、上部電極および下部電極の両者を分離して
もよい。また、この分離される電極の個数は二つに限ら
れず、複数であればよい。

【００３９】

【００４０】［第３の実施の形態］ 図３は、本発明に係る第３の実施の形態を説明するため
の平面図（ａ）およびそのＡ−Ａ’線断面図（ｂ）を示
す。同図に示すように、誘電率の大きなガラス製の基板
１上に、シリコンからなるスイッチ本体部１４と、金か
らなる下部電極４と、金からなる信号線３が設けられて
いる。また、基板１の裏面にはアース板２が形成されて
いる。

【００４１】スイッチ本体部１４は、支持部材７と、片
持ちアーム８と、上部電極９との一体構造となってい
る。支持部材７からは、シリコンからなる二本の片持ち
アーム８が基板面に対してほぼ水平に延びている。二本
の片持ちアーム８は、従来例における一本のアームと比
べてアームの回転運動を低く抑えることができ、スイッ
チの片当たり接触を防止するのに役立つ。ただし、条件
に応じて片持ちアーム８の本数を変えればよいのであっ
て、本実施の形態には１本および２本以上の片持ちアー
ム８を有する構造が含まれる。

【００４２】ところで、支持部材７と片持ちアーム８と
接続部分においては、その表面におけるなす角α，β
が、それぞれ鈍角（９０°＜α，β＜１８０°）となる
ように調整することが好ましい。このようにすることに
より、片持ちアーム８の強度を高めることができ、１Ｍ
Ｈｚ以上といった高周波数のスイッチング動作を可能と
する。

【００４３】片持ちアーム８の先端には、シリコンから
なる上部電極９が設けられている。上部電極９は、下部
電極４と空間的な隙間を介して対向している。支持部材
７は、基板１上に形成されている信号線３ａに接続され
ており、この信号線３ａは、支持部材７および片持ちア
ーム８を介して上部電極９と電気的に接続されている。

【００４４】また、二酸化シリコンあるいは窒化シリコ
ン膜等の絶縁体膜からなる絶縁性部材６が、上部電極９
の下面に下部電極４と対向する位置から信号線３に対向
する位置にかけて設けられている。この信号線３に対向
する絶縁性部材６の下側の位置には、金からなる接触電
極５が設けられている。同様に、下部電極４と対向する
ようにして絶縁性部材６上には、中間電極１５が設けら
れている。

【００４５】このように絶縁性部材６を設けることによ
り、接触電極５と上部電極９との短絡を防止することが
できる。ただし、絶縁性部材６は、最低限接触電極５と
上部電極９との間、および、中間電極１５と上部電極９
との間にあればよい。なお、高周波信号をスイッチング
する場合は、信号線３と容量結合可能な範囲で接触電極
５の表面を絶縁体膜で覆っていてもよい。逆に信号線３
を絶縁体膜で覆っても構わない。

【００４６】このように、接触電極５と対向する絶縁性
部材６の上側には、片持ちアーム８よりも厚みのある上
部電極９が設けられているため、接触電極５と絶縁性部
材６との間に生じる歪みによる反りを小さく抑えること
ができる。したがって、接触電極５は絶えず基板１に対
して平行な状態を保つことができ、片当たりによる接触
抵抗の増大を抑えることができる。なお、片持ちアーム
８と上部電極９と絶縁性部材６とから梁部材が構成され
る。

【００４７】ここで、図３に示すマイクロマシンスイッ
チの動作について説明する。信号線３ａを介して上部電
極９と下部電極４との間に７０Ｖの電圧を印加すると、
静電気力により上部電極９に基板方向（下向き）に引力
が働く。このため、片持ちアーム８が下側に湾曲して接
触電極５が信号線３と接触するようになる。

【００４８】信号線３は、図３（ｂ）に示すように接触
電極５に対向する位置に隙間が設けられている。このた
め、電圧が印加されない状態では信号線３に電流は流れ
ないが、電圧が印加されて接触電極５が信号線３と接触
した状態では信号線３を電流が流れることができる。こ
のように、下部電極４への電圧印加によって信号線３を
通る電流あるいは信号のオン／オフを制御することがで
きる。また、３０ＧＨｚの信号を扱った場合、従来のＨ
ＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）スイッ
チでの挿入損失が３〜４ｄＢであったのに対し、図３の
スイッチでは２．５ｄＢという結果が得られた。

【００４９】このように図３のマイクロマシンスイッチ
では、上部電極９は導電性の片持ちアーム８を介して導
電性の支持部材７と電気的に接続されているため、上部
電極９への電圧印加を容易に行うことができる。ただ
し、上部電極９は電気的に浮遊した状態であっても構わ
ない。その場合、信号線３ａは不要であり、スイッチを
動作させるためには下部電極４に電圧を印加するだけで
よい。

【００５０】また、支持部材７と片持ちアーム８と上部
電極９とを、不純物が一部あるいは全体に拡散された半
導体で作製することができる。その場合、スイッチの動
作時に上部電極９と下部電極４との間に流れる電流は、
極めて小さなものであるから、これら半導体の不純物の
含有量を精密に制御する必要はない。

【００５１】また、以下の作製方法に述べるように片持
ちアーム８の厚さを、他の構成要素に比べて薄く制御す
ることも容易である。このように個々の要素の厚さを制
御することによって、剛性の大きな構成要素の中に柔ら
かい片持ちアーム８を作製することができる。したがっ
て、剛性の大きな要素では電圧印加時の変形が基板１に
対して水平に行われ、変形のほとんどが薄い片持ちアー
ム８によってなされることになる。これは、スイッチの
片当たりを低く抑えることに役立つものである。

【００５２】ただし、上部電極９の厚さを、片持ちアー
ム８と同じにしたものも本発明に含むことができる。こ
のような構造は、作製方法が簡略化されるという長所が
ある。

【００５３】なお、図３のマイクロマシンスイッチの代
表的な寸法は、表１のとおりである。

【００５４】

【表１】

【００５５】ここで、幅は図３（ａ）の平面図に対して
縦方向の長さ、長さは図３（ａ）の平面図に対して横方
向の長さ、厚さは図３（ｂ）の断面図に対して縦方向の
長さをそれぞれ示す。また、中間電極１５と下部電極４
との距離は、４μｍとしている。しかし、これら寸法は
個々の応用に応じて設計すべきものであり、上述の数値
に限定されるものではない。本発明においては、その増
大した設計自由度により、広い範囲の設計が可能であ
る。例えば、中間電極１５の厚さを接触電極５よりも少
し薄く設計すると、接触電極５と信号線３との接触の力
が大きくなり、両者の接触抵抗が減少する。これは、特
にＤＣ信号をオン／オフするスイッチに適した設計であ
るといえる。

【００５６】また、中間電極１５の厚さを接触電極５よ
りも少し厚く設計すると、接触電極５はスイッチのオン
のときでも信号線３と直接接触することがなくなる。し
かし、高周波応用では抵抗接触は必ずしも必要でなく、
容量型の接触でも信号を伝えることが可能であるため、
接触電極５が直接信号線３に触れなくてもよい。この場
合には、接触電極５が信号線３と直接ふれないため、機
械的な摩耗を低く押さえることが可能であり、スイッチ
の寿命を長く保つことができるという利点がある。

【００５７】さらに、スイッチの駆動方法として、上部
電極９に電気的短絡した支持部材７と下部電極４との間
に電圧を印加する例を示したが、支持部材７の電位を必
ずしも固定せずに、下部電極４だけに電圧を印加するだ
けでスイッチの動作は可能である。このとき、支持部材
７（すなわち、上部電極９）の電位は、固定されずに浮
いた状態である。このような状態では、通常、上部電極
９は周囲の電位に影響された電圧となり、周囲にグラン
ド線を配置することによってグランド電圧に近い状態と
することが可能である。なお、グランド線の配置は、一
般的にスイッチ本体部１４の近くに設けられるのが普通
である。このように、支持部材７の電位を浮遊させた場
合、支持部材７に配線を設ける手間が省けるため、全体
としてデバイスの配線が簡略化されるという利点があ
る。

【００５８】ここで、図３に係るマイクロマシンスイッ
チの製造工程について図を参照して説明する。図４，５
は、図３に係るマイクロマシンスイッチの製造工程を示
す断面図である。製造工程について順次説明する。

【００５９】まず、図４（ａ）に示すように、シリコン
からなる基板１１に二酸化シリコン膜からなるパタン１
２を形成し、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡ
Ｈ）等のエッチング液を用いて基板１１を約６μｍほど
エッチングする。ここで、基板１１としては（１００）
面を主面とするシリコンを用いた場合、エッチング速度
の面方位依存性により、エッチング後は（１１１）面が
側面に露出した台形となる。

【００６０】次いで、図４（ｂ）に示すように、新たに
パタン１３を基板１上に形成し、このパタン１３をマス
クにしてマスクの無い領域にボロンを拡散させ、その
後、ボロンの深い拡散を行うため、例えば１１５０℃で
１０時間ほど熱拡散を実施する。このとき、高濃度のボ
ロンが約１０μｍの深さまで拡散される。その結果、支
持部材７と上部電極９とが作製される。

【００６１】次いで、図４（ｃ）に示すように、片持ち
アーム８に対応する領域のパタン１３を除去してから、
残ったパタン１３をマスクにしてマスクの無い領域にボ
ロンを拡散させる。その結果、支持部材７，片持ちアー
ム８および上部電極９からなるスイッチ本体部１４がで
きあがる。なお、今回はボロンの浅い拡散を行うため、
例えば１１５０℃で２時間ほど熱拡散を実施する。この
とき、高濃度のボロンが約２μｍ深さまで拡散される。

【００６２】次いで、図４（ｄ）に示すように、上部電
極９に二酸化シリコン１μｍおよび窒化膜０．０５μｍ
からなる絶縁性部材６を作製する。

【００６３】次いで、図５（ｅ）に示すように、絶縁性
部材６上に金メッキを用いて接触電極５および中間電極
１５を作製する。

【００６４】次いで、図５（ｆ）に示すように、このよ
うにして作製された基板１１を、金からなる下部電極４
および金からなる信号線３，３ａの形成されたガラス製
の基板１に載置する。この基板１は上述のシリコンプロ
セスとは別個の工程で予め作製しておく。その後、支持
部材７を基板１上に接着する。このとき、シリコンとガ
ラスとの接着には、静電接着技術を利用することができ
る。

【００６５】最後に、図５（ｇ）に示すように、基板１
１をエチレンジアミンピロカテコール等のボロン濃度選
択性が大きいエッチング液に投入し、ボロンが拡散され
ていない部分を溶解する。その結果、基板１上にマイク
ロマシンスイッチを作製することができる。

【００６６】なお、基板１がセラミックあるいはガリウ
ムヒ素等で形成されているのであれば、接着剤を用いて
支持部材７とこれらの基板とを接着させることも可能で
ある。もしくは、これら基板の表面にガラスを２〜５μ
ｍ程度スパッタしておくと、静電接着技術を使うことも
可能である。

【００６７】以上のように単結晶シリコン基板をエッチ
ングすることによって片持ちアーム８等からなるスイッ
チ本体部１４を作製している。このように材料として単
結晶体を利用することにより、機械特性として最も信頼
性のおける構造体を作製することができるという利点が
ある。

【００６８】また、片持ちアーム８を単結晶体のみで作
製しているため、従来例のように複数の材料を張り合わ
せた構造に比べ、熱膨張係数に起因する反りが発生する
ことはない。すなわち、片持ちアーム８の基板１の面に
対して直交する方向に沿った熱膨張係数の変化を、基板
面側とその反対面側とで互いに対称とすることにより、
反りの発生を抑制している。

【００６９】一方、ここに述べた方法以外にも、基板１
上に種々の薄膜を堆積して選択エッチングを利用し、本
発明の構造をもつスイッチを作製することも可能であ
る。例えば、スイッチ本体部１４を単結晶シリコンでは
なく、アモルファスシリコン、ポリシリコンまたは高抵
抗の半導体材料（ＧａＡｓ，鉄をドープしたＩｎＰ等）
を使って作製してもよい。また、スイッチ本体部１４を
半導体ではなく、金やアルミニウム等の金属を使って作
製してもよい。

【００７０】［第４の実施の形態］ 図６は、本発明の第４の実施の形態の平面図（ａ）およ
びそのＢ−Ｂ’線断面図（ｂ）を示す。同図に示すよう
に、誘電率の大きなガラス製の基板１上に、シリコンか
らなる支持部材７と、金からなる下部電極４と、金から
なる信号線３が設けられている。また、基板１の裏面に
はアース板２が形成されている。

【００７１】スイッチ本体部１４は、支持部材７と、片
持ちアーム８と、上部電極９との一体構造となってい
る。支持部材７からは、シリコンからなる二本の片持ち
アーム８が基板面に対してほぼ水平に延びている。二本
の片持ちアーム８は、従来例における一本のアームと比
べてアームの回転運動を低く抑えることができ、スイッ
チの片当たり接触を防止するのに役立つ。ただし、条件
に応じて片持ちアーム８の本数を変えればよいのであっ
て、本発明には１本および２本以上の片持ちアーム８を
有する構造が含まれる。

【００７２】ところで、支持部材７と片持ちアーム８と
の接続部分においては、その表面におけるなす角α，β
が、それぞれ鈍角（９０°＜α，β＜１８０°）となる
ように調整することが好ましい。このようにすることに
より、片持ちアーム８の強度を高めることができ、１Ｍ
Ｈｚ以上といった高周波数のスイッチング動作を可能と
する。

【００７３】片持ちアーム８の先端には、シリコンから
なる上部電極９が設けられている。上部電極９は、下部
電極４と空間的な隙間を介して対向している。支持部材
７は、基板１上に形成されている信号線３ａに接続され
ており、この信号線３ａは、支持部材７および片持ちア
ーム８を介して上部電極９と電気的に接続されている。

【００７４】また、二酸化シリコンあるいは窒化シリコ
ン膜等の絶縁体膜からなる絶縁性部材６が、上部電極９
の下面から始まって信号線３に対向する位置まで延びて
いる。この信号線３に対向する絶縁性部材６の下側の位
置には、金からなる接触電極５が設けられている。同様
に、下部電極４と対向するようにして絶縁性部材６上に
は、中間電極１５が設けられている。なお、高周波信号
をスイッチングする場合は、信号線３と容量結合可能な
範囲で接触電極５の表面を絶縁体膜で覆ってもよい。逆
に信号線３を絶縁体膜で覆っても構わない。

【００７５】接触電極５と対向する絶縁性部材６の上側
には、シリコンからなる補強部材１０が設けられてい
る。これは、接触電極５と絶縁性部材６との間に生じる
歪みによる反りを小さく抑えるために設けられたもので
ある。このように、補強部材１０を設けることにより、
接触電極５は絶えず基板１に対して平行な状態を保つこ
とができ、片当たりによる接触抵抗の増大を抑えること
ができる。なお、補強部材１０は、絶縁性部材６の材料
や膜厚等によっては必ずしも必要ではなく、これがない
構造も本発明に含まれる。なお、片持ちアーム８と上部
電極９と絶縁性部材６とから梁部材が構成される。

【００７６】ここで、図６に示すマイクロマシンスイッ
チの動作について説明する。上部電極９と下部電極４と
の間に３０Ｖの電圧を印加すると、静電気力により上部
電極９に基板方向（下側）に引力が働く。このため、片
持ちアーム８が下側に湾曲して接触電極５が信号線３と
接触するようになる。

【００７７】信号線３は、図６（ｂ）に示すように接触
電極５に対向する位置に隙間が設けられている。このた
め、電圧が印加されない状態では信号線３に電流は流れ
ないが、電圧が印加されて接触電極５が信号線３と接触
した状態では信号線３を電流が流れることができる。こ
のように、下部電極４への電圧印加によって信号線３を
通る電流あるいは信号のオン／オフを制御することがで
きる。また、３０ＧＨｚの信号を扱った場合、従来のＨ
ＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）スイッ
チでの挿入損失が３〜４ｄＢであったのに対し、本実施
の形態のスイッチでは０．２ｄＢという結果が得られ
た。

【００７８】上部電極９は導電性の片持ちアーム８を介
して導電性の支持部材７と電気的に接続されているた
め、上部電極９への電圧印加を容易に行うことができ
る。ただし、上部電極９は電気的に浮遊した状態であっ
ても構わない。その場合、信号線３ａは不要であり、ス
イッチを動作させるためには下部電極４に電圧を印加す
るだけでよい。

【００７９】また、支持部材７と片持ちアーム８と上部
電極９と補強部材１０とは、不純物が一部あるいは全体
に拡散された半導体から作製することができる。その場
合、スイッチの動作時に上部電極９と下部電極４との間
に流れる電流は、極めて小さなものであるから、これら
半導体の不純物の含有量を精密に制御する必要はない。

【００８０】また、以下の作製方法に述べるように片持
ちアーム８の厚さを、他の構成要素に比べて薄く制御す
ることも容易である。このように個々の要素の厚さを制
御することによって、剛性の大きな構成要素の中に柔ら
かい片持ちアーム８を作製することができる。剛性の大
きな要素では電圧印加時の変形が基板１に対して水平に
行われ、変形のほとんどが薄い片持ちアーム８によって
なされることになる。これは、スイッチの片当たりを低
く抑えることに役立つものである。

【００８１】ただし、上部電極９および補強部材１０の
厚さを、片持ちアーム８と同じにしたものも本発明に含
むことができる。このような構造は、作製方法が簡略化
されるという長所がある。

【００８２】なお、図６のマイクロマシンスイッチの代
表的な寸法は、表２のとおりである。

【００８３】

【表２】

【００８４】ここで、幅は図６（ａ）の平面図に対して
縦方向の長さ、長さは図４（ａ）の平面図に対して横方
向の長さ、厚さは図６（ｂ）の断面図に対して縦方向の
長さをそれぞれ示す。また、中間電極１５と下部電極４
との距離は、４μｍとしている。しかし、これら寸法は
個々の応用によって設計すべきものであり、上述の数値
に限定されるものではない。本発明においては、その増
大した設計自由度により、広い範囲の設計が可能であ
る。例えば、中間電極１５の厚さを接触電極５よりも少
し薄く設計すると、接触電極５と信号線３との接触の力
が大きくなり、両者の接触抵抗が減少する。これは、特
にＤＣ信号をオン／オフするスイッチに適した設計であ
るといえる。

【００８５】また、中間電極１５の厚さを接触電極５よ
りも少し厚く設計すると、接触電極５はスイッチのオン
のときでも信号線３と直接接触することがなくなる。し
かし、高周波応用では抵抗接触は必ずしも必要でなく、
容量型の接触でも信号を伝えることが可能であるため、
接触電極５が直接信号線３に触れなくてもよい。この場
合には、接触電極５が信号線３と直接ふれないため、機
械的な摩耗を低く押さえることが可能であり、スイッチ
の寿命を長く保つことができるという利点がある。

【００８６】さらに、スイッチの駆動方法として、上部
電極９に電気的短絡した支持部材７と下部電極４との間
に電圧を印加する例を示したが、支持部材７の電位を必
ずしも固定せずに、下部電極４だけに電圧を印加するだ
けでスイッチの動作は可能である。このとき、支持部材
７（すなわち、上部電極９）の電位は、固定されずに浮
いた状態である。このような状態では、通常、上部電極
９は周囲の電位に影響された電圧となり、周囲にグラン
ド線を配置することによってグランド電圧に近い状態と
することが可能である。なお、グランド線の配置は、一
般的にスイッチ本体部１４の近くに設けられるのが普通
である。このように、支持部材７の電位を浮遊させた場
合、支持部材７に配線を設ける手間が省けるため、全体
としてデバイスの配線が簡略化されるという利点があ
る。

【００８７】ここで、図６に係るマイクロマシンスイッ
チの製造工程について図を参照して説明する。図７，８
は、図６に係るマイクロマシンスイッチの製造工程を示
す断面図である。製造工程について順次説明する。

【００８８】まず、図７（ａ）に示すように、シリコン
からなる基板１１に二酸化シリコン膜からなるパタン１
２を形成し、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡ
Ｈ）等のエッチング液を用いて基板１１を約６μｍほど
エッチングする。ここで、基板１１としては（１００）
面を主面とするシリコンを用いた場合、エッチング速度
の面方位依存性により、エッチング後は（１１１）面が
側面に露出した台形となる。

【００８９】次いで、図７（ｂ）に示すように、新たに
パタン１３を基板１上に形成し、このパタン１３をマス
クにしてマスクの無い領域にボロンを拡散させ、その
後、ボロンの深い拡散を行うため、例えば１１５０℃で
１０時間ほど熱拡散を実施する。このとき、高濃度のボ
ロンが約１０μｍの深さまで拡散される。その結果、支
持部材７と上部電極９と補強部材１０とが作製される。

【００９０】次いで、図７（ｃ）に示すように、片持ち
アームに対応する領域のパタン１３を除去してから、残
ったパタン１３をマスクにしてマスクの無い領域にボロ
ンを拡散させる。その結果、支持部材７，片持ちアーム
８および上部電極９からなるスイッチ本体部１４ができ
あがる。なお、今回はボロンの浅い拡散を行うため、例
えば１１５０℃で２時間ほど熱拡散を実施する。このと
き、高濃度のボロンが約２μｍ深さまで拡散される。

【００９１】次いで、図７（ｄ）に示すように、上部電
極９から補強部材１０にかけて、二酸化シリコン１μｍ
および窒化膜０．０５μｍからなる絶縁性部材６を作製
する。

【００９２】次いで、図８（ｅ）に示すように、補強部
材１０に対向する絶縁性部材６上に金メッキを用いて接
触電極５および中間電極１５を作製する。

【００９３】次いで、図８（ｆ）に示すように、このよ
うにして作製された基板１１を、金からなる下部電極４
および金からなる信号線３，３ａの形成されたガラス製
の基板１に載置する。この基板１は上述のシリコンプロ
セスとは別個の工程で予め作製しておく。その後、支持
部材７を基板１上に接着する。このとき、シリコンとガ
ラスとの接着には、静電接着技術を利用することができ
る。

【００９４】最後に、図８（ｇ）に示すように、基板１
１をエチレンジアミンピロカテコール等のボロン濃度選
択性が大きいエッチング液に投入し、ボロンが拡散され
ていない部分を溶解する。その結果、基板１上にマイク
ロマシンスイッチを作製することができる。

【００９５】なお、基板１がセラミックあるいはガリウ
ム砒素等で形成されているのであれば、接着剤を用いて
支持部材７とこれらの基板とを接着させることも可能で
ある。もしくは、これら基板の表面にガラスを２〜５μ
ｍ程度スパッタしておくと、静電接着技術を使うことが
可能である。

【００９６】以上のように単結晶シリコン基板をエッチ
ングすることによって片持ちアーム７等からなるスイッ
チ本体部１４を作製している。このように材料として単
結晶体を利用することにより、機械特性として最も信頼
性のおける構造体を作製することができるという利点が
ある。

【００９７】また、片持ちアーム８を単結晶体のみで作
製しているため、従来例のように複数の材料を張り合わ
せた構造に比べ、熱膨張係数に起因する反りが発生する
ことはない。すなわち、片持ちアーム８の基板１の面に
対して直交する方向に沿った熱膨張係数の変化を、基板
面側とその反対面側とで互いに対称とすることにより、
反りの発生を抑制している。

【００９８】一方、ここに述べた方法以外にも、基板１
上に種々の薄膜を堆積して選択エッチングを利用し、本
発明の構造をもつスイッチを作製することも可能であ
る。例えば、スイッチ本体部１４および補強部材１０を
単結晶シリコンではなく、アモルファスシリコン、ポリ
シリコンまたは高抵抗の半導体材料（ＧａＡｓ，鉄をド
ープしたＩｎＰ等）を使って作製してもよい。また、ス
イッチ本体部１４および補強部材１０を半導体ではな
く、金やアルミニウム等の金属を使って作製してもよ
い。

【００９９】［第５の実施の形態］ 図９は、本発明の第５の実施の形態の平面図（ａ）およ
び断面図（ｂ）を示す。同図に示すように、図６と同一
符号の構成要素は、同一または同等の構成要素であるこ
とを示している。

【０１００】図９のマイクロマシンスイッチは、絶縁性
部材６ｂが上部電極９の端面から延びている点が、図６
の構成と大きく異なる点である。この絶縁性部材６ｂ
は、酸化膜、窒化膜等の絶縁薄膜によって形成すること
もできるが、上部電極９と同一の半導体材料を使って形
成することが可能である。その場合、例えば高抵抗の半
導体材料（ＧａＡｓ，鉄をドープしたＩｎＰ等）で絶縁
性部材６ｂを除く支持部材７，片持ちアーム８および上
部電極９のみに不純物を拡散して抵抗を下げるという方
法、または、絶縁性部材６ｂの領域に酸素等のイオンを
打ち込んで抵抗を高くする方法等を利用することができ
る。本実施の形態には、補強部材１０を接触電極５に対
向する位置に設けているが、これがない構造も本発明に
含まれる。

【０１０１】また、補強部材１０は、低抵抗または高抵
抗の何れであってもよい。また、上部電極９の下側に絶
縁性部材６ｂとは別個に絶縁性部材６ａが設けられてい
るが、これは上部電極９と下部電極４との間に電圧を印
加したとき、互いに接触して短絡が起こらないようにす
るためである。この絶縁性部材６ａの厚さは、接触電極
５よりも薄くすることが望ましい。

【０１０２】また、図９に示すマイクロマシンスイッチ
では、図６のものと比べて、絶縁性部材６ｂが基板１に
対して上側に位置するようになったため、接触電極５と
信号線３との隙間が大きく取れるようになる。このた
め、オフ時の静電容量が小さくなり、オフ時の漏れ電流
を小さく抑えることが可能となる。

【０１０３】以上においては、基板１の具体例としてガ
ラス基板をあげて説明した。ガラス基板はガリウムヒ素
基板に比べて安価であり、多数のスイッチを集積化する
ことが要求されるフェーズドアレイアンテナ等の応用に
おいて有望な材料である。しかし、本発明の構造はこれ
に限られるものではなく、ガリウムヒ素、シリコン、セ
ラミック、プリント基板等においても有効である。

【０１０４】また、上部電極９に穴を開けることによ
り、上部電極９と下部電極４との間に存在する空気によ
るスクイーズ効果を減少させる手法も本発明に含まれ
る。本発明では、上部電極９および補強部材１０によっ
て絶縁性部材６ｂの強度を補強することが容易である。
このため、内部に複数個の穴を設けたとしても、可動部
全体の剛性は十分に大きく保つことが可能である。さら
に、絶縁性部材６ｂ，接触電極５および補強部材１０に
も穴をあけ、空気を通しやすくするとスクイーズ効果を
著しく抑えることが可能である。

【０１０５】［第６の実施の形態］ 図１０は、第６の実施の形態を示す断面図である。同図
において、図３における同一符号のものは同一または同
等の構成要素を示す。図１０に示すように信号線３を挟
んで２個の支持部材７を基板１上に配設している。した
がって、上部電極９は各支持部部材７からそれぞれ延び
ている片持ちアーム８に接続され、両側で支持した構造
となっている。また、十分な静電気力を発生させるた
め、上部電極９の下には信号線３を挟んで２個所に下部
電極４が配設されている。

【０１０６】このように、複数の支持部材７を使って上
部電極９を支持した構成も、本発明に含まれる。また、
支持部材７の個数をさらに増やして２個以上にしてもよ
く、そのような構造も本発明に含まれる。

【０１０７】［第７の実施の形態］ 図１１は、第７の実施の形態を示す断面図である。同図
において、図３における同一符号のものは同一または同
等の構成要素を示す。図１１に示すようにスイッチ本体
部１４は、その表面が酸化などされ、片持ちアーム８
を、シリコン層８ａとそれを両側から挟む酸化シリコン
層８ｂとからなる構造を有する。このように、両側の酸
化シリコン層８ｂの厚さを等しくしてやれば、基板１側
とその反対側の熱膨張係数は対称となるため、高温処理
を行っても片持ちアーム８の反りは抑制される。

【０１０８】［第８の実施の形態］ 図１２は、第８の実施の形態を示す断面図である。同図
において、図３における同一符号のものは同一または同
等の構成要素を示す。図１２に示すように、本実施の形
態は片持ちアーム８を２種以上の材料からなる薄膜を交
互に積層した超格子構造を有するものである。上述の第
７の実施の形態同様に、本実施の形態においても、基板
１側の熱膨張係数とその反対側の熱膨張係数とを対称に
することができるため、温度変化による片持ちアーム８
のそりを抑制することができる。

【０１０９】［第９の実施の形態］ 図１３は、本発明の第９の実施の形態を示す平面図
（ａ）およびそのＤ−Ｄ’線断面図（ｂ）である。同図
において、図６における同一符号のものは同一または同
等の構成要素を示す。図１３に示すように、本実施の形
態は、中間電極１５が絶縁性部材６の一部に設けられた
開口中の埋め込み配線１８を介して、上部電極４に短絡
している。また、中間電極１５および接触電極５の表面
が、それぞれ絶縁体膜１６および１７によって被覆され
ていることが図６の構成と異なる点である。

【０１１０】中間電極１５が上部電極９と短絡している
ため、中間電極１５の電位は上部電極９の電位と全く同
じである。中間電極１５の上の絶縁体膜１６は、中間電
極１５と下部電極４とが短絡することを防止するために
設けられたものである。そして、接触電極５の上の絶縁
体膜１７は、この絶縁体膜１７と下部電極３とが接触し
たとき（オン時）に、絶縁体膜１７と信号線３とが接触
できるように対称的に設けられたものである。

【０１１１】ここで、中間電極１５と上部電極９との短
絡は、絶縁性部材１６中に設けられた埋め込み配線１８
に限られるものではなく、絶縁性部材６の端部に設けた
配線を介して行ってもよい、また、中間電極１５と上部
電極９との間に設けられた絶縁性部材６を省略してもよ
い。

【０１１２】また、絶縁体膜１６および１７を下部電極
４および信号線３の一部に設けることも可能であり、そ
のような構造も本発明に含まれる。また、接触電極５の
上の絶縁体膜１７を省略し、中間電極１５の厚さと絶縁
体膜１６の厚さとの和が、接触電極５の厚さよりも薄く
することにより、ＤＣ信号のオン／オフを行うスイッチ
を作製することができる。

【０１１３】また、絶縁体膜１６を省略して、中間電極
１５の厚さが接触電極５の厚さ、または、接触電極５の
厚さと絶縁体膜１７の厚さとの和よりも薄くすることに
よっても、中間電極１５と下部電極４との短絡を防ぐこ
ともできる。また、絶縁体膜を中間電極１５および下部
電極６の両方に設けてもよい。同様に、絶縁体膜を接触
電極５および信号線３の両方に設けてもよい。さらに、
絶縁体膜１６および１７は、中間電極４および接触電極
５の全てを被覆する必要はなく、その一部に設けられた
としても、本発明の効果を得ることができる。

【０１１４】［第１０の実施の形態］第１〜９の実施の
形態に係るマイクロマシンスイッチを、フェーズドアレ
イアンテナに適用した例について説明する。以下に示す
ように、上述のマイクロマシンスイッチは、ＤＣ〜高周
波信号まで幅広く適用することができ、特にフェーズド
アレイアンテナ装置に適用すると効果的である。

【０１１５】図１４は、特願平１０−１７６３６７号に
開示されたフェーズドアレイアンテナ装置を示すブロッ
ク図である。同図に示すように、フェーズドアレイアン
テナ装置は、Ｍ個（Ｍは２以上の自然数）のアンテナ２
３を有し、アンテナ２３は移相回路２４に接続されてい
る。この移相回路２４は、データ分配回路２４ａと、こ
のデータ分配回路２４ａに接続されたＭ個のデータラッ
チ回路２４ｂと、このデータラッチ回路２４ｂ接続され
た移相器２４ｃとによって構成されている。

【０１１６】したがって、各アンテナ２３はＮビット
（Ｎは自然数）の移相器２４ｃにそれぞれ接続され、各
移相器２４ｃは分配合成器２２を介して給電部２１に接
続されている。

【０１１７】また、データ分配回路２４ａは、制御装置
２０に接続されている。なお、データ分配回路２４ａお
よびデータラッチ回路２４ｂは、基板上に薄膜トランジ
スタ回路（ＴＦＴ回路）で実現されている。

【０１１８】また、移相器２４ｃは、各ビット毎に上述
のマイクロマシンスイッチを備えており、各データラッ
チ回路２４ｂは各移相器２４ｃのマイクロマシンスイッ
チに接続されている。このように、同図に示されたフェ
ーズドアレイアンテナ装置では、従来外付けＩＣだった
移相器の駆動回路をＴＦＴ回路で構成し、移相器２４ｃ
等と同一層に形成している。

【０１１９】次に、図１４に示されたフェーズドアレイ
アンテナ装置の動作について説明する。制御装置２０
は、予め設定されているアンテナ２３の位置と使用する
周波数とに基づいて、放射ビームを所望の方向に向ける
のに最適な移相量をＮビットの精度で計算し、その結果
を制御信号としてデータ分配回路２４ａに出力する。デ
ータ分配回路２４ａは、各データラッチ回路２４ｂに制
御信号を分配する。

【０１２０】アンテナ２３における電波の放射方向は、
全てのアンテナ２３について一斉に切り換えられる。そ
の際、各データラッチ回路２４ｂは、ビーム方向を切り
換えるためのタイミング信号に同期して、保持データを
入力データである制御信号に書き換え、保持データ（制
御信号）に基づき、移相器２４ｃが必要とするビットの
マイクロマシンスイッチに対して駆動電圧を一斉に印加
する。

【０１２１】マイクロマシンスイッチに駆動電圧が印加
されると、マイクロマシンスイッチは回路を閉じて、そ
のマイクロマシンスイッチが含まれるビットをオン状態
にする。そして、移相器２４ｃのどのビットがオン状態
になるかで、その移相器２４ｃの移相量が設定される。

【０１２２】各移相器２４ｃは、このようにして設定さ
れた移相量だけ高周波信号の位相を変え、各アンテナ２
３に給電する。そして、各アンテナ２３は、給電位相に
応じた位相の放射をし、その放射が等位相面が生成する
ことにより、この等位相面と垂直な方向に放射ビームを
形成する。

【０１２３】次に、図１４に係るフェーズドアレイアン
テナ装置の詳細な構造について説明する。図１５は、フ
ェーズドアレイアンテナ装置を示す分解斜視図である。
同図に示されるように、全体構成は多層構造となってい
る。すなわち、分配合成層Ｌ１と、誘電体層Ｌ２と、給
電用スロット層Ｌ３と、誘電体層Ｌ４と、放射素子と移
相器とＴＦＴ回路とからなる層（以下、移相回路層とい
う）Ｌ５と、誘電体層Ｌ６と、無給電素子層Ｌ７とがそ
れぞれ密着して張り合わされている。

【０１２４】各層は、フォトリソグラフィおよびエッチ
ング技術、および、接着技術等を利用して多層化されて
いる。例えば、無給電素子層Ｌ７および移相回路層Ｌ５
は、誘電体層Ｌ６の各面に形成された金属膜に対して、
フォトリソグラフィおよびエッチング技術を施して形成
される。給電用スロット層Ｌ３は、誘電体層Ｌ４の片面
に形成された金属膜に対して、フォトリソグラフィおよ
びエッチング技術を施すことによって形成される。

【０１２５】さて、無給電素子層Ｌ７には、複数の無給
電素子３２が形成されている。この無給電素子３２は、
アンテナの帯域を広げるために用いられ、誘電体層Ｌ６
を介して移相回路層Ｌ５の放射素子と電磁結合されてい
る。また、誘電体層Ｌ６には、比誘電率が２〜１０程度
の誘電体が用いられる。例えば、ガラスを用いれば製造
コストを低減させることができ、誘電体層のうちの少な
くとも一層にガラスを用いるのが望ましい。なお、製造
コストの問題を無視すれば、誘電体層Ｌ６に比誘電率の
高いアルミナや比誘電率の低い発泡材等の誘電体を使用
してもよい。

【０１２６】次いで、移相回路層Ｌ５には、図１２に示
されたアンテナ２３の一部と、移相回路２４と、アンテ
ナ２３に給電するためのストリップライン等が形成され
ている。

【０１２７】次いで、誘電体層Ｌ４は、アルミナ等の比
誘電率が３〜１２程度の誘電体で形成されている。次い
で、給電用スロット層Ｌ３は、導電性を有する金属によ
って形成され、給電用結合手段である給電用スロット３
０が複数形成されている。なお、給電用スロット層３０
は、誘電体層Ｌ４に適宜設けられたスルーホールを介し
て移相回路層Ｌ５と接続され、移相回路層Ｌ５の接地と
して機能する。

【０１２８】次いで、分配合成層Ｌ１には、複数の分配
合成器２２が形成されている。分配合成器２２は、給電
用スロット層Ｌ３に設けられた給電用スロット３０を介
して移相回路層Ｌ５と電磁的に結合されている。１個の
分配合成器２２と１個の給電用スロット３０とは、１個
の給電ユニットを構成し、各ユニットはマトリックス状
に配置されている。ただし、マトリックス状に配置され
ていないものも本発明に含まれる。

【０１２９】なお、放射素子３２は、マトリックス状に
配置されていてもよいし、単に２次元的に配列されてい
るだけでもよい。あるいは一方向に整列配置されていて
もよい。また、図１５では分配合成器２２と移相回路層
Ｌ５とが、給電用スロット層Ｌ３を介して電磁的に結合
されているが、分配合成器２２と移相回路層Ｌ５とが給
電ピン等の他の給電用結合手段で接続されている場合に
おいては、同一面に形成されていてもよい。

【０１３０】次に、図１５に示された移相回路層Ｌ５に
ついて詳細に説明する。図１６は、移相回路層Ｌ５の１
ユニットを示す平面図である。同図に示すようにガラス
基板等の誘電体層Ｌ６には、放射素子４１、移相器群４
０およびデータラッチ回路４６が形成されている。ただ
し、データラッチ回路４６は移相器４０ａ〜４０ｄの各
ビット毎に設けられている。

【０１３１】また、ストリップライン４２は、放射素子
４１から移相器群４０を介して、図１５に示された給電
用スロット３０に対応する位置まで配設されている。そ
して、放射素子４１としては、例えばパッチアンテナ、
プリンテッドダイポール、スロットアンテナ、アパーチ
ャ素子等が使用される。ストリップライン４２として
は、マイクロストリップ線路、トリプレート線路、コプ
レーナ線路、スロット線路等の分布定数線路が使用され
る。

【０１３２】また、図１６に示す移相器群４０は、全体
で４ビットの移相器を構成しており、すなわち４個の移
相器４０ａ，４０ｂ，４０ｃおよび４０ｄによって構成
されている。各移相器４０ａ〜４０ｄは、それぞれ給電
する位相を２２．５゜，４５゜，９０゜，１８０゜だけ
変化させることができ、ストリップラインとマイクロマ
シンスイッチとで構成されている。

【０１３３】ここで、移相器４０ａ〜４０ｃは、ストリ
ップライン４２と接地４３との間に接続された２個のス
トリップライン４４と、ストリップライン４４の途中に
接続されたマイクロマシンスイッチ４５とで構成されて
いる。これらの移相器は、ローデッドライン形移相器を
構成している。

【０１３４】一方、移相器４０ｄでは、ストリップライ
ン４２の途中に接続されたマイクロマシンスイッチ４５
ａと、コの字型のストリップライン４４ａと、ストリッ
プライン４４ａと接地４３との間に接続されたマイクロ
マシンスイッチ４５ａとで構成されている。この移相器
は、スイッチドライン形移相器を構成している。

【０１３５】一般に、移相量が小さい場合にはローデッ
ドライン形の方が良い特性が得られ、移相量が大きい場
合にはスイッチドライン形の方が良い特性が得られる。
そのため、２２．５゜，４５゜，９０゜の移相器として
ローデッドライン形を用い、１８０゜の移相器としてス
イッチドライン形を用いている。もちろん、移相器４０
ａ〜４０ｃに、スイッチドライン形を用いることも可能
である。

【０１３６】各移相器４０ａ〜４０ｄに含まれる２個の
マイクロマシンスイッチ（４５または４５ａ）は、その
近傍に配設されたデータラッチ回路４６に接続され、デ
ータラッチ回路４６が出力する駆動電圧によって同時に
動作する。このように、ストリップライン４２に流れる
高周波信号は、移相器群４０の働きにより、その給電位
相が変化させられる。

【０１３７】なお、データラッチ回路４６を、各マイク
ロマシンスイッチの近傍に配置する代わりに、複数のデ
ータラッチ回路を一カ所にまとめて配置し、そこから配
線を延ばして各マイクロマシンスイッチを駆動するよう
にしてもよい。また、１個のデータラッチ回路を複数の
異なるユニットのマイクロマシンスイッチに接続しても
よい。

【０１３８】図１７は、ローデッドライン形の移相器に
用いられたマイクロマシンスイッチ４５周辺を拡大した
平面図である。同図に示すように、２個のマイクロマシ
ンスイッチ４５は、２個のストリップライン４４に対し
て左右対称となるように配設されている。また、これら
マイクロマシンスイッチ４５は、図示しない１個のデー
タラッチ回路に接続され、データラッチ回路から同時に
駆動電圧（外部電圧）が供給される。もちろん、このマ
イクロマシンスイッチ４５としては、第１〜７の実施の
形態で述べたものを使用することができる。

【０１３９】

【発明の効果】以上説明したとおり本発明は、下部電極
と梁部材の上部電極との間に中間電極を有する。したが
って、このような中間電極を設けたことによりスイッチ
を駆動する印加電圧を低減させることができる。例え
ば、接触電極と信号線とが４μｍのギャップをもつ場合
には、従来例の約２／３まで電圧を低減させることがで
きる。また、接触電極と信号線との距離を４μｍ以下に
するときには、印加電圧の低減の効果はさらに増大し、
従来例の１／２以下に抑えることも容易である。

【０１４０】この中間電極を従来の接触電極を作製する
のと同時に作製することが可能であるため、スイッチ作
製プロセスに特に追加の工程を加える必要がなく、コス
トの上昇が抑えられるという利点がある。そして、印加
電圧を低減できることから、上部電極と下部電極との間
の絶縁体膜に大きな電圧が印加されることを防ぐことが
でき、特に高品質の絶縁体膜を作製する必要がなくな
り、スイッチ作製プロセスの選択性を広めることにつな
がる。したがって、従来この絶縁体膜の耐圧特性の限界
から発生していたデバイスの破壊を防止することができ
る。また、外部駆動回路で必要とされる電圧も低下し、
構成が簡略化されると同時に消費電力も低減した。

【０１４１】一方、下部電極を２個設けることにより、
同一寸法で下部電極を１個もつ構造と比較した場合、印
加電圧が高くなるものの絶縁体膜に電圧が印加されない
ため、低品質の絶縁体膜を使用したとしても絶縁破壊す
ることがなくなった。印加電圧の上昇は、デバイスの寸
法を増大させることによって補償することが可能であ
り、デバイス寸法が特に小さくする必要がないような応
用に採用することができる。そして、何よりも上部電極
の存在が必要でなくなり、下部電極に電圧を印加するだ
けでスイッチの駆動が可能となることから、スイッチの
配線が簡略化されるという著しい効果が生ずる。このた
め、配線にともなうコストの上昇、デバイス構造の複雑
化、長期信頼性の低下等の欠点が著しく改善される。

【０１４２】また、本発明に係るスイッチ作製プロセス
は、高い温度プロセスを利用できることから、次のよう
な効果が得られる１）梁部材等を構成する材料の選択が
広がり、種々の導体および半導体を利用することを可能
とし、材料選択の自由度を増大させる。２）高温度で作
製された絶縁体膜の耐圧特性がすぐれているためデバイ
スの電気特性が向上する。３）厚さ方向の自由度が増大
したため、梁部材の幅を減少することができ、スイッチ
の寸法を小さくすることが可能となる。

【０１４３】以上の利点が生まれたために、本発明に係
るマイクロマシンスイッチは、個々ばらばらにして使用
する単純なスイッチに留まらず、大面積の基板上に数万
個のオーダで集積化することが要求されるフェーズドア
レイアンテナのような新たな応用を可能とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施の形態を示す平面図であ
る。

【図２】 本発明の第２の実施の形態を示す平面図であ
る。

【図３】 本発明の第３の実施の形態を示す平面図
（ａ）およびそのＡ−Ａ’線断面図（ｂ）である。

【図４】 図３に係るマイクロマシンスイッチの製造工
程を示す断面図である。

【図５】 図４の続きの製造工程を示す断面図である。

【図６】 本発明の第４の実施の形態を示す平面図
（ａ）およびそのＢ−Ｂ’線断面図（ｂ）である。

【図７】 図６に係るマイクロマシンスイッチの製造工
程を示す断面図である。

【図８】 図７の続きの製造工程を示す断面図である。

【図９】 本発明の第５の実施の形態を示す平面図
（ａ）およびそのＣ−Ｃ’線断面図（ｂ）である。

【図１０】 第６の実施の形態を示す断面図である。

【図１１】 第７の実施の形態を示す断面図である。

【図１２】 第８の実施の形態を示す断面図である。

【図１３】 本発明の第９の実施の形態を示す平面図
（ａ）およびそのＤ−Ｄ’線断面図（ｂ）である。

【図１４】 フェーズドアレイアンテナ装置（本発明の
第１０の実施の形態）を示すブロック図である。

【図１５】 図１４に係るフェーズドアレイアンテナ装
置の詳細な構成を示す分解斜視図である。

【図１６】 図１５に係る移相回路を示す平面図であ
る。

【図１７】 図１６に係るマイクロマシンスイッチの周
辺を示す平面図である。

【図１８】 従来例を示す平面図（ａ）およびそのＥ−
Ｅ’線断面図（ｂ）である。

【符号の説明】

１…基板、２…アース板、３，３ａ…信号線、４，４
ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ…下部電極、５…接触電極、６，
６ａ，６ｂ…絶縁性部材、７…支持部材、８…片持ちア
ーム、８ａ…シリコン層、８ｂ…酸化シリコン層、９…
上部電極、１０…補強部材、１１…基板、１２，１３…
パタン、１４…スイッチ本体部、１５…中間電極、１
６，１７…絶縁体膜、１８…埋め込み配線、２０…制御
装置、２１…給電部、２２…分配合成器、２３…アンテ
ナ、２４…移相回路、２４ａ…データ分配回路、２４ｂ
…データラッチ回路、２４ｃ…移相器、３０…給電用ス
ロット、３１…移相回路、３２…無給電素子、４０…移
相器群、４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ…移相器、４
１…放射素子、４２…ストリップライン、４３…接地、
４４，４４ａ…ストリップライン、４５，４５ａ…マイ
クロマシンスイッチ、４６…データラッチ回路、Ｌ１…
分配合成層、Ｌ２，Ｌ４，Ｌ６…誘電体層、Ｌ３…給電
用スロット層、Ｌ５…移相回路層、Ｌ７…無給電素子
層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−213191（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−204013（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−370622（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−213803（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−149757（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−17300（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−242788（ＪＰ，Ａ) 特表 平８−509093（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01H 59/00

Claims (28)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に設けられた第１の信号線と、前
   記基板上に設けられかつ前記第１の信号線の端部から所
   定のギャップを隔てて端部の設けられた第２の信号線と
   の間の導通／非導通を制御するマイクロマシンスイッチ
   において、前記基板上に設けられた支持部材と、 この支持部材に接続してかつ一部が前記ギャップと対向
   するように前記基板上に空間を隔てて設けられた梁部材
   と、 この梁部材の前記基板側における少なくとも前記ギャッ
   プと対向する位置に設けられた接触電極と、 前記基板上に前記梁部材の一部と対向して設けられた下
   部電極と、 前記梁部材に前記下部電極と対向して設けられた中間電
   極とを備え、前記下部電極を前記中間電極に向かい合う面積が互いに
   等しい複数の櫛歯状の電極によって構成した ことを特徴
   とするマイクロマシンスイッチ。
2. 【請求項２】 基板上に設けられた第１の信号線と、前
   記基板上に設けられかつ前記第１の信号線の端部から所
   定のギャップを隔てて端部の設けられた第２の信号線と
   の間の導通／非導通を制御するマイクロマシンスイッチ
   において、 前記基板上に設けられた支持部材と、 この支持部材に接続してかつ一部が前記ギャップと対向
   するように前記基板上に空間を隔てて設けられた梁部材
   と、 この梁部材の前記基板側における少なくとも前記ギャッ
   プと対向する位置に設けられた接触電極と、 前記基板上に前記梁部材の一部と対向して設けられた下
   部電極と、 前記梁部材に前記下部電極と対向して設けられた中間電
   極とを備え、 前記梁部材の一部に設けられた上部電極を前記下部電極
   に向かい合う面積が互いに等しい複数の櫛歯状の電極に
   よって構成した ことを特徴とするマイクロマシンスイッ
   チ。
3. 【請求項３】 請求項１または２において、前記梁部材は、前記支持部材との接続部分から少なくと
   も前記下部電極と対向する位置までの領域が導電性部材
   からなる ことを特徴とするマイクロマシンスイッチ。
4. 【請求項４】 請求項３において、前記導電性部材は、半導体材料よりなる ことを特徴とす
   るマイクロマシンスイッチ。
5. 【請求項５】 請求項４において、前記半導体材料は、単結晶の半導体である ことを特徴と
   するマイクロマシンスイッチ。
6. 【請求項６】 請求項４において、前記半導体材料は、アモルファス半導体または多結晶半
   導体である ことを特徴とするマイクロマシンスイッチ。
7. 【請求項７】 請求項１または２において、前記支持部材と前記梁部材との接続部分は、その表面に
   おけるなす角が鈍角である ことを特徴とするマイクロマ
   シンスイッチ。
8. 【請求項８】 請求項１または２において、前記接触電極は、前記第１および第２の信号線と容量接
   続可能な絶縁体膜によって覆われている ことを特徴とす
   るマイクロマシンスイッチ。
9. 【請求項９】 請求項１または２において、前記基板は、ガラス基板またはセラミック基板である こ
   とを特徴とするマイクロマシンスイッチ。
10. 【請求項１０】 請求項１または２において、前記基板は、ガリウムヒ素基板である ことを特徴とする
    マイクロマシンスイッチ。
11. 【請求項１１】 請求項３において、前記下部電極と対向する前記導電性部材の一部に上部電
    極を設け、 前記中間電極は、前記上部電極と電気的に短絡され、 前記上部電極は、電気的に浮遊した状態にある ことを特
    徴とするマイクロマシンスイッチ。
12. 【請求項１２】 請求項１〜３のいずれか１項におい
    て、前記マイクロマシンスイッチは、フェーズドアレイアン
    テナ装置に使用される ことを特徴とするマイクロマシン
    スイッチ。
13. 【請求項１３】 請求項１〜３のいずれか１項におい
    て、前記梁部材を支持する複数の支持部材を備えた ことを特
    徴とするマイクロマシンスイッチ。
14. 【請求項１４】 請求項１〜３のいずれか１項におい
    て、 前記梁部材は、前記支持部材との接続部分から前記下部
    電極と対向する位置までの領域を少なくとも２種以上の
    材料からなる多層構造から構成したことを特徴とするマ
    イクロマシンスイッチ 。
15. 【請求項１５】 基板上に設けられた第１の信号線と、
    前記基板上に設けられかつ前記第１の信号線の端部から
    所定のギャップを隔てて端部の設けられた第２の信号線
    との間の導通／非導通を制御するマイクロマシンスイッ
    チの製造方法において、 前記基板上に下部電極を形成する工程と、 所定の高さを有する支持部材とこの支持部材に接続する
    梁部材、前記梁部材に設けられた接触電極、および前記
    梁部材に設けられた中間電極からなる部材を、前記接触
    電極が前記ギャップと対向するとともに前記第１および
    第２の信号線と離間した状態で前記基板上に接着する工
    程とを有し、 前記下部電極を前記中間電極に向かい合う面積が互いに
    等しい複数の櫛歯状の電極によって構成したことを特徴
    とするマイクロマシンスイッチの製造方法 。
16. 【請求項１６】 基板上に設けられた第１の信号線と、
    前記基板上に設けられかつ前記第１の信号線の端部から
    所定のギャップを隔てて端部の設けられた第２の信号線
    との間の導通／非導通を制御するマイクロマシンスイッ
    チの製造方法において、 前記基板上に下部電極を形成する工程と、 所定の高さを有する支持部材とこの支持部材に接続する
    梁部材、前記梁部材に設けられた接触電極、および前記
    梁部材に設けられた中間電極からなる部材を、前記接触
    電極が前記ギャップと対向するとともに前記第１および
    第２の信号線と離間した状態で前記基板上に接着する工
    程とを有し、 前記梁部材の一部に設けられた上部電極を前記下部電極
    に向かい合う面積が互 いに等しい複数の櫛歯状の電極に
    よって構成した ことを特徴とするマイクロマシンスイッ
    チの製造方法。
17. 【請求項１７】 請求項１５または１６において、前記梁部材は、前記支持部材との接続部分から少なくと
    も前記下部電極と対向する位置までの領域が導電性部材
    からなる ことを特徴とするマイクロマシンスイッチの製
    造方法。
18. 【請求項１８】 請求項１７において、前記導電性部材を、半導体材料より形成する ことを特徴
    とするマイクロマシンスイッチの製造方法。
19. 【請求項１９】 請求項１８において、前記半導体材料を、単結晶の半導体とする ことを特徴と
    するマイクロマシンスイッチの製造方法。
20. 【請求項２０】 請求項１８において、前記半導体材料を、アモルファス半導体または多結晶半
    導体とする ことを特徴とするマイクロマシンスイッチの
    製造方法。
21. 【請求項２１】 請求項１５〜１７のいずれか１項にお
    いて、前記支持部材と前記梁部材との接続部分を、その表面に
    おけるなす角が鈍角となるように形成する ことを特徴と
    するマイクロマシンスイッチの製造方法。
22. 【請求項２２】 請求項１５〜１７のいずれか１項にお
    いて、前記接触電極を、前記第１および第２の信号線と容量接
    続可能な絶縁体膜によって覆う ことを特徴とするマイク
    ロマシンスイッチの製造方法。
23. 【請求項２３】 請求項１５〜１７のいずれか１項にお
    いて、前記基板を、ガラス基板またはセラミック基板とする こ
    とを特徴とするマイクロマシンスイッチの製造方法。
24. 【請求項２４】 請求項１５〜１７のいずれか１項にお
    いて、前記基板を、ガリウムヒ素基板とする ことを特徴とする
    マイクロマシンスイッチの製造方法。
25. 【請求項２５】 請求項１７において、前記下部電極と対向する前記導電性部材の一部に上部電
    極を設け、 前記中間電極は、前記上部電極と電気的に短絡され、 前記上部電極は、電気的に浮遊した状態にある ことを特
    徴とするマイクロマシンスイッチの製造方法。
26. 【請求項２６】 請求項１５〜１７のいずれか１項にお
    いて、前記マイクロマシンスイッチは、フェーズドアレイアン
    テナ装置に使用される ことを特徴とするマイクロマシン
    スイッチの製造方法。
27. 【請求項２７】 請求項１５〜１７のいずれか１項にお
    いて、 前記梁部材を支持する複数の支持部材を備えたことを特
    徴とするマイクロマシンスイッチの製造方法。
28. 【請求項２８】 請求項１５〜１７のいずれか１項にお
    いて、 前記梁部材は、前記支持部材との接続部分から前記下部
    電極と対向する位置までの領域を少なくとも２種以上の
    材料からなる多層構造から構成したことを特徴とするマ
    イクロマシンスイッチの製造方法。