JP4040308B2 - Memsリレイ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム(MEMS)リレイに係り、より詳細には、単一の構造体内に形成された二つのスイッチがシーソー作用により互いに反対にオン−オフ作動されるMEMSリレイに関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体集積回路技術の発達に伴い、電子製品に使われる能動素子の小型化には目を見張るものがあるものの、リレイ、可変キャパシタ、可変インダクタなどの受動素子の小型化はあまり進んでいない。この理由から、このような受動素子の小型化が主な課題となっている。
【0003】
従来のMEMSリレイスイッチは、そのほとんどが単一構造のものである。単一構造のスイッチが複数個設けられる場合、米国特許第5,619,061号公報に開示されたように、各スイッチが独立的に作動する構造が一般的である。前記特許公報に開示されたスイッチの概略平面図である図1を参照すれば、一つの入力信号電極IN及び二つの出力信号電極OUT1、OUT2が形成されてコントロール電極1にプルダウン電圧が印加されれば、金属プレート2との静電気力により金属プレート2が下方に反って入力信号電極及び出力信号電極IN及びOUT1、OUT2と接触される。前記二つのスイッチは別のコントロール電極1により独立的に作動される。
【0004】
しかしながら、このような従来のスイッチは、外部の機械的な衝撃や加速度を受ける時に電極間が離れてオフ状態である場合には、金属プレート2が入出力信号電極と離れて揺れるという短所があり、また、従来のMEMSリレイは、パッケージング時にワイヤボンディングのための面積の拡大によりパッケージング面積が広まるという問題点があった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、二つのスイッチが単一の構造体よりなって互いに反対のオン−オフ動作をすることから、構造的に安定しており、しかも、小型化したMEMSリレイを提供するところにある。
【0006】
本発明の他の目的は、前記MEMSリレイの製造方法を提供するところにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明によるMEMSリレイは、第1ウェーハ、第2ウェーハ及び第3ウェーハが順次に積層され、前記第1ウェーハは、その下部の表面に位置する駆動電極と、前記第1ウェーハの下部の表面において駆動電極と対応し、互いに隣接するように位置する入力信号電極及び出力信号電極と、前記電極上において前記第1ウェーハを貫通するビアホールと、前記ビアホール上に形成された金属パッドとを備え、前記第2ウェーハは、その縁部に前記第1ウェーハと前記第3ウェーハとの間を密封させるシーリング部が形成された胴体と、前記胴体から内側に離れて位置し、シリコン基板と、その上に形成されたパッシベーション層及び前記パッシベーション層上の両側に形成されて前記信号電極と対向するコンタクト電極と一体的に形成され、前記胴体の上部表面から下方に所定距離離れて位置する駆動本体と、前記駆動本体が前記第2ウェーハ内に支持されるように前記駆動本体の対向する両側から各々外方に延びて前記胴体の内側に連結される連結支持部とを備え、前記第3ウェーハは、前記駆動本体が回動できる空洞を備える。
【0008】
望ましくは、前記連結支持部は、前記駆動本体の対向する両側から各々外方に延びたトーションスプリングと、前記トーションスプリングを前記胴体に支持連結するアンカーとを備える。
【0009】
望ましくは、前記第3ウェーハ上に前記各入力信号電極及び出力信号電極を支持する電極支持台がさらに形成され、さらに、望ましくは、前記第2ウェーハはシリコンから形成され、前記第1ウェーハ及び前記第3ウェーハはパイレックス(登録商標)ガラスから形成される。
【0010】
望ましくは、前記パッシベーション層は、SiO2膜またはSi3N4膜であり、さらに、望ましくは、前記金属パッド上にボールグリッドアレイがさらに形成される。
【0011】
前記他の目的を達成するために、本発明によるMEMSリレイの製造方法は、(イ)第2ウェーハであるシリコンウェーハと第1及び第2ウェーハである2つのパイレックス(登録商標)ガラスウェーハを準備する段階と、(ロ)前記第2ウェーハ上にマスクを形成した後、異方性エッチングを行う段階と、(ハ)前記第2ウェーハの中央部にパッシベーション層を形成し、前記パッシベーション層上にコンタクト電極をパターニングする段階と、(ニ)第1ウェーハの下部の表面に電極をパターニングする段階と、(ホ)前記第2ウェーハ上に前記第1ウェーハをボンディングする段階と、(ヘ)第1ウェーハの上部を化学機械的研磨工程により平坦化し、前記第1ウェーハを貫通するビアホールを形成した後に、前記ビアホール上に金属パッドを形成する段階と、(ト)前記第2ウェーハの下部を化学機械的研磨工程により平坦化した後にパターニングしてエッチングする段階と、(チ)前記第3ウェーハの上部をエッチングして空洞を形成する段階と、(チ)前記第2ウェーハの下部に前記第3ウェーハをボンディングする段階とを備える。
【0012】
望ましくは、前記(ヘ)段階後に、前記金属パッド上にボールグリッドアレイを形成する段階をさらに備え、さらに、望ましくは、前記(リ)段階は、アノディックボンディングにより行われる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照し、本発明の実施形態によるMEMSリレイについて詳細に説明する。
【0014】
図2は、本発明の望ましい実施形態によるMEMSリレイの全体が見られるように上部の一部を省略して展開した斜視図であり、図3は、本発明の望ましい実施形態によるMEMSリレイの断面図であり、図4は、図3のIV−IV’線断面図であり、図5は、図2の中間層に当たる第2ウェーハの構造を説明するための平面図である。
【0015】
これらの図面を参照すれば、MEMSリレイは、第1ウェーハ10、第2ウェーハ30及び第3ウェーハ70が順次に積層された構造となっている。
【0016】
前記第1ウェーハ10には前記第1ウェーハ10を垂直に貫通するビアホール18が形成されており、各ビアホール18上には金属パッド20が形成されている。そして前記金属パッドの上には外部回路と直接的に接続されるボールグリッドアレイ(Ball Grid Array、以下、BGA )22が形成されている。前記第1ウェーハ10の下部において、前記ビアホール18の下部にはそれぞれビアホール18に対応する電極12、14、16が形成されている。参照番号12は駆動電極であり、参照番号14及び16は各々対をなして互いに隣接するように形成され、それらの下部のコンタクト電極56と接触することにより短絡がなされる入力信号電極14及び出力信号電極16である。前記入出力信号電極14、16は、図4に見られるように、コンタクト電極56と共にスイッチを形成する。
【0017】
前記BGA 22の形成によりフリップチップボンディングができ、その結果、コンパクトなパッケージングが可能になる。
【0018】
前記第2ウェーハ30はその縁部を限定する胴体40と、前記胴体40に回動自在に連結される駆動本体50、及び前記胴体40と前記駆動本体50とを連結する連結支持部60を備える。前記胴体40は第1ウェーハ10と第3ウェーハ70との間を密封させるシーリング部42と、前記胴体40の内方に前記胴体40から離れて形成され、その上部が各信号電極14、16と接触されて前記信号電極14、16を安定的に支持する電極支持台44とを含む。従って、前記信号電極14、16は互いに絶縁された状態に位置される。
【0019】
前記駆動本体50はシリコン基板52、パッシベーション層54及びコンタクト電極56が順次に積層された構造を有し、下方の第3ウェーハ70、上方の第1ウェーハ10及び側方のシーリング部42により取り囲まれた空間に浮いた状態で形成されている。前記パッシベーション層54はシリコン基板52上にSiO2またはSi3N4膜がパターニングされて形成され、コンタクト電極56は信号電極14、16と対向するように形成されてこれらと共にスイッチの作用をする。
【0020】
前記連結支持部60は、胴体40の対向する両側壁から駆動本体50側に延びるアンカー64と、前記アンカー64からさらに延びて駆動本体50に連結されて駆動本体50を支持するトーションスプリング62とを含む。
【0021】
前記第3ウェーハ70の内部には駆動本体が左右に回動できる空洞72が形成されている。
【0022】
前記第2ウェーハ30はシリコンウェーハであり、前記第1及び第3ウェーハ10、70は前記第2ウェーハ30と熱膨張係数がほぼ同一であって前記ウェーハ10、30、70間のアノーディックボンディングが可能なパイレックス(登録商標)ガラス(商品名:米国コーニング社7740番パイレックス(登録商標)ガラス)から形成されることが望ましい。
【0023】
図6は、中立状態のMEMSリレイを説明するための断面図であり、図7は、左側のスイッチがオン状態であるMEMSリレイを説明するための断面図である。
【0024】
これらの図面を参照すれば、駆動電極12に電圧が掛かっていない状態では左側及び右側の各々の信号電極14、16及びコンタクト電極56a、56bが両方とも互いに離れている中立状態となり(図6参照)、図7でのように、左側の駆動電極12aに駆動本体50との電位差が生じるように電圧を掛ければ、左側のコンタクト電極56aと左側の駆動電極12aとの間の静電気力により左側のコンタクト電極56aが上方に動いて入力及び出力信号電極14、16と接触し、これによりスイッチがオン状態となる。逆に、右側のスイッチをオンしようとする場合には、前記電圧信号を変更して右側のスイッチを形成する駆動電極12bと駆動本体50との電位差を形成すれば、シーソーは捩じれて右側のコンタクト電極56bと右側の駆動電極12bとの間の静電気力により右側のコンタクト電極56bが上方に動いて入出力信号電極14、16と接触し、これによりスイッチがオン状態となる。
【0025】
このような構造のMEMSリレイの製造方法を図8Aないし図8Jを参照して詳細に説明する。
【0026】
これらの図面を参照すれば、まず、シリコンウェーハである第1ウェーハ10と、絶縁体であり、シリコンウェーハと熱膨張係数がほぼ同一であるパイレックス(登録商標)ガラスウェーハである第2及び第3ウェーハ30、70を準備する。
【0027】
次に、図8Aに示されたように、第2ウェーハ30上にマスク層31を形成する。この時、マスク層の物質としては、エッチングの方法に応じてフォトレジスト、酸化物または金属が用いられる。
【0028】
次に、図8Bに示されたように、第2ウェーハ30を所定の深さに異方性エッチングしてマスク層を除去する。
【0029】
次に、図8Cに示されたように、SiO2またはSi3N4を用い、前記エッチングされた一部の領域にパッシベーション層54をパターニングする。
【0030】
次に、図8Dに示されたように、前記パッシベーション層54の上にコンタクト電極56をパターニングする。
【0031】
前記第2ウェーハをエッチングする間に、図8Eに示されたように、第1ウェーハ10の下部の表面に電極12、14、16をパターニングする。
【0032】
次に、図8Fに示されたように、前記第1ウェーハ10及び第2ウェーハ30をアノーディックボンディング法によりボンディングする。この時、アノーディックボンディングが用いられる理由は、ボンディング面間の厚さの制御が容易であるためである。これにより、前記シリコンウェーハとパイレックス(登録商標)ガラスとの間のボンディング面間の厚さが数μm以下に制御される。
【0033】
次に、図8Gに示されたように、第1ウェーハ10の上部を化学機械的研磨(CMP)工程により平坦化した後、第1ウェーハ10を貫通するビアホール18を形成する。次に、このビアホールの上に金属パッド20を形成する。
【0034】
次に、図8Hに示されたように、第2ウェーハ30の下部をCMP工程により平坦化した後にパターニングしてエッチングし、駆動本体50を第2ウェーハ30の下部から浮いた状態で形成する。実際には、前記駆動本体50は、連結支持部(図2の60)により支持される。
【0035】
次に、図8Iに示されたように、第3ウェーハ70を所定の深さにエッチングして空洞72を形成する。
【0036】
次に、図8Jに示されたように、第3ウェーハ70を第2ウェーハ30にボンディングする。
【0037】
次に、図3に示されたように、金属パッド20の上にBGA 22をさらに形成して、MEMSリレイのパッケージング時のフリップ−チップボンディングに用いる。
【0038】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によるMEMSリレイは、パッケージングがチップスケールでなされることからワイヤボンディングなどに必要な面積が不要になるのでリレイを小型化できる。また、シーソーのような構造により一方の側のスイッチがオンされれば、他方の側のスイッチがオフされるので、オフされるスイッチもオンされるスイッチの固定により外部の衝撃などに強い構造を有するという長所がある。
【0039】
本発明は図面を参照して実施形態を参考として説明されたが、これは単なる例示的なものに過ぎず、当該分野における通常の知識を有した者であれば、これより各種の変形及び均等な実施形態が可能であるという点は理解できるのであろう。よって、本発明の真の技術的な保護範囲は特許請求の範囲上に限って定まるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来のMEMSリレイの概略平面図である。
【図2】 本発明の望ましい実施形態によるMEMSリレイの展開斜視図である。
【図3】 本発明の望ましい実施形態によるMEMSリレイの断面図である。
【図4】 図3のIV−IV’線断面図である。
【図5】 図2の中間層に当たる第2ウェーハの平面図である。
【図6】 中立状態のMEMSリレイを説明するための断面図である。
【図7】 左側のスイッチがオンされた状態のMEMSリレイを説明するための断面図である。
【図8A】 本発明の望ましい実施形態によるMEMSリレイの製造方法を段階別に説明する図でって、第1の段階を示す図である。
【図8B】 図8Aの次の段階を示す図である。
【図8C】 図8Bの次の段階を示す図である。
【図8D】 図8Cの次の段階を示す図である。
【図8E】 図8Dの次の段階を示す図である。
【図8F】 図8Eの次の段階を示す図である。
【図8G】 図8Fの次の段階を示す図である。
【図8H】 図8Gの次の段階を示す図である。
【図8I】 図8Hの次の段階を示す図である。
【図8J】 図8IDの次の段階を示す図である。
【符号の説明】
10 第1ウェーハ
12 駆動電極
14 入力信号電極
16 出力信号電極
18 ビアホール
20 金属パッド
22 BGA
30 第2ウェーハ
40 胴体
50 駆動本体
56 コンタクト電極
70 第3ウェーハ
Claims (8)
- 第1ウェーハ、第2ウェーハ及び第3ウェーハが順次に積層され、
前記第1ウェーハは、その下部の表面に位置する駆動電極と、前記第1ウェーハの下部の表面において前記駆動電極と対応し、互いに隣接するように位置する入力信号電極及び出力信号電極と、前記電極上において前記第1ウェーハを貫通するビアホールと、前記ビアホール上に形成された金属パッドとを備え、
前記第2ウェーハは、その縁部に前記第1ウェーハと前記第3ウェーハとの間を密封させるシーリング部が形成された胴体と、前記胴体から内側に離れて位置し、シリコン基板と、その上に形成されたパッシベーション層及び前記パッシベーション層上の両側に形成されて前記信号電極と対向するコンタクト電極と一体的に形成され、前記胴体の上部表面から下方に所定距離離れて位置する駆動本体と、前記駆動本体が前記第2ウェーハ内に支持されるように前記駆動本体の対向する両側から各々外方に延びて前記胴体の内側に連結される連結支持部とを備え、
前記第3ウェーハは、前記駆動本体が回動できる空洞を備え、
前記第2ウェーハ上に、前記胴体の内方に該胴体から離れて形成され、その上部が前記各入力信号電極及び出力信号電極に接触して支持する電極支持台がさらに形成された
ことを特徴とするMEMSリレイ。 - 前記連結支持部は、前記駆動本体の対向する両側から各々外方に延びたトーションスプリングと、前記トーションスプリングを前記胴体に支持連結するアンカーとを備えることを特徴とする請求項1に記載のMEMSリレイ。
- 前記第2ウェーハはシリコンから形成され、前記第1ウェーハ及び前記第3ウェーハはパイレックス(登録商標)ガラスから形成されることを特徴とする請求項1に記載のMEMSリレイ。
- 前記パッシベーション層は、SiO2膜またはSi3N4膜であることを特徴とする請求項1に記載のMEMSリレイ。
- 前記金属パッド上にボールグリッドアレイがさらに形成されたことを特徴とする請求項1に記載のMEMSリレイ。
- (イ)第2ウェーハであるシリコンウェーハと第1及び第2ウェーハである2つのパイレックス(登録商標)ガラスウェーハを準備する段階と、
(ロ)前記第2ウェーハ上にマスクを形成した後、異方性エッチングを行い、胴体と該胴体の内方に該胴体から離れて、その上部が第1ウェーハに形成された入力信号電極及び出力信号電極に接触して支持する電極支持台を形成する段階と、
(ハ)前記第2ウェーハの中央部にパッシベーション層を形成し、前記パッシベーション層上にコンタクト電極をパターニングする段階と、
(ニ)第1ウェーハの下部の表面に電極をパターニングする段階と、
(ホ)前記第2ウェーハ上に前記第1ウェーハをボンディングする段階と、
(ヘ)第1ウェーハの上部を化学機械的研磨工程により平坦化し、前記第1ウェーハを貫通するビアホールを形成した後に、前記ビアホール上に金属パッドを形成する段階と、
(ト)前記第2ウェーハの下部を化学機械的研磨工程により平坦化した後にパターニングしてエッチングする段階と、
(チ)前記第3ウェーハの上部をエッチングして空洞を形成する段階と、
(リ)前記第2ウェーハの下部に前記第3ウェーハをボンディングする段階とを備えることを特徴とするMEMSリレイの製造方法。 - 前記(ヘ)段階後に、前記金属パッド上にボールグリッドアレイを形成する段階をさらに備えることを特徴とする請求項6に記載のMEMSリレイの製造方法。
- 前記(リ)段階は、アノディックボンディングにより行われることを特徴とする請求項6に記載のMEMSリレイの製造方法。
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