JP4443438B2 - エレクトロメカニカルスイッチ - Google Patents

Description

本発明は、静電気式マイクロスイッチや静電マイクロリレー，マイクロメカニカルリレー，加速度計，圧力センサ，アクチュエータ等に用いられる、いわゆるマイクロエレクトロメカニカルシステム（Micro Electro-Mechanical System：ＭＥＭＳ）技術を用いたエレクトロメカニカルスイッチに関するものである。

近年の通信技術の進展に伴い、携帯電話に代表される通信機器としてさらに高機能・高性能なものが要求されている。このような状況において、通信機器の内部回路でＲＦ電気信号の進路を切り替えるＲＦスイッチの役割はますます重要視されている。このようなＲＦスイッチとしては、例えばＰＩＮダイオードやＦＥＴ等を用いた半導体スイッチがあり、特にＰＩＮダイオードが広く用いられている。

しかしながら、ＰＩＮダイオードは、常に順方向にバイアスされなければならないので消費電力が大きかったり、スイッチング特性が非線形的であったり、スイッチング動作に半導体における電子や正孔の移動を利用しているのでオン／オフのアイソレーションが低かったりする等の問題点があった。

これに対し、ＲＦスイッチとしてＭＥＭＳ技術を用いたスイッチ（以下、ＭＥＭＳスイッチと記す。）が提案されている。

ＭＥＭＳスイッチとは、半導体プロセスを用い、基板表面上に微小駆動機構を作製し、静電引力により駆動させることで通常の機械スイッチと同様に機能してスイッチング動作を実現するものである。

このＭＥＭＳスイッチは、駆動に必要なスイッチング電力およびスタティック電力が少なく、基本的に機械接点式であるため、オン／オフのアイソレーションが極めて良く、原理的に電気的な非線形性を持たないという利点がある。また、ＭＥＭＳスイッチの作製工程は半導体プロセスで行なうことができるため、小型化が可能であり、かつ量産性の高いものとなる。

以上のように、ＭＥＭＳスイッチは魅力的なＲＦスイッチであり、多方面で活発に研究開発が行なわれている。

一般的にＭＥＭＳスイッチはバルクマイクロマシン方式と表面マイクロマシン方式との二つの方式に大別される。バルクマイクロマシン方式とは、基板をエッチングしたり、または、基板同士を接合したりすることにより微小駆動機構を形成するものである。一方、表面マイクロマシン方式とは、基板表面に薄膜を積層し微小駆動機構を形成するものである。ＭＥＭＳスイッチとしては、両方式ともに種々検討されているが、駆動部がバルク材料からなるため機械的強度が高いという利点より、バルクマイクロマシン方式が主流となっている。

ＭＥＭＳスイッチはミクロンオーダの微細な微小駆動機構を有する構造体であり、それを駆動させるための動作は非常にデリケートであるため、安定した動作を実現するためにはＭＥＭＳスイッチの駆動部を周囲の空気流による振動や微粒子などの異物の付着や、湿気等の水分の浸入等から保護することが極めて重要である。駆動部の機械的強度が高いバルクマイクロマシンにおいても、安定した動作を実現するために駆動部を保護する封止構造は極めて重要な課題である。

このような課題に対して、バルクマイクロマシン方式では、パッケージやキャップ部材により駆動機構全体を封止することが一般的である。例えば、特許文献１にはガラスもしくはＳｉからなる基板上に微小駆動部を接合し、基板上にＳｉからなる微小駆動部全体を覆うようにＳｉからなるキャップ部材を陽極接合により接合してパッケージングしたバルクマイクロマシン方式のＭＥＭＳスイッチが開示されている。
特開2003−311572号公報

しかしながら、特許文献１に示すＭＥＭＳスイッチには、以下に述べる問題点がある。特許文献１に示すＭＥＭＳスイッチは、基板，駆動部，駆動部を封止するキャップ部材の３つの部品から構成される。なお、一般的にＳｉ同士の接合やＳｉとガラスとの接合には400〜500℃程度の熱処理が必要となる陽極接合と呼ばれる方法が用いられる。このため、３つの部材をそれぞれ接合してＭＥＭＳスイッチを製造するには、400〜500℃程度の熱処理が２回必要となる。従って、基板上に形成された微小駆動部を駆動させるための電極および接点部の電極の表面が酸化等により変質し、接点部の抵抗値が増加することで、駆動用の電圧を印加しても所望の大きさの静電引力を得ることができず、ＭＥＭＳスイッチとしての応答特性が所望の応答特性に対してばらつくという問題点があった。

また、基板と駆動部とを接合した後にキャップ部材を接合するため、駆動部を接合した基板にキャップ部材を接合するときに、基板と駆動部との接合部が溶けて両者の配置がずれたり接合が外れてしまったりしないように、基板と駆動部との接合は、駆動部を接合した基板とキャップ部材とを接合する場合より、必然的に高温での処理が要求される。そのため、基板と駆動部との接合部における残留応力が高いので、接合部においてクラックが発生しやすくなり、信頼性が低いという問題点があった。

さらに、接合工程が２回も必要なので生産性が悪く、コストが高くなるという問題点があった。また、基板上に駆動部を接合してからキャップ部材により駆動部を封止するまでの間に、駆動部に異物が付着して、安定したスイッチング動作を得ることができなくなるので信頼性が低いという問題点もあった。さらに、このため歩留まりが低くなり生産性が低いという問題点もあった。

本発明は以上のような従来の技術における問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、スイッチとして良好な特性を有し、信頼性の高いエレクトロメカニカルスイッチを提供することにある。

本発明のエレクトロメカニカルスイッチは、基板と、前記凹部に対向して設けられている薄板部、および該薄板部に一体に形成されている複数の可動腕を有する封止基板とを有しており、前記凹部は、底面に、途切れた箇所を有する下部電極と、複数の駆動電極とが設けられており、前記薄板部は、上部電極が前記下部電極の途切れた箇所と対向する部位に、上部駆動電極が前記複数の駆動電極と対向する部位に設けられており、前記可動腕は、前記上部電極が前記下部電極の途切れた箇所を電気的に接続するように前記凹部の底面側に変形可能に構成されており、前記下部電極は、前記上部電極が接触する部位の幅が他の部位の幅に比べて狭くなっており、前記複数の駆動電極は、前記下部電極を挟むように当該下部電極の両側に配置されており、前記下部電極の途切れた箇所に設けられていないものである。

本発明のエレクトロメカニカルスイッチによれば、基板上に凹部が形成されており、この凹部の底面に下部電極と駆動電極とが配設され、基板上に凹部を封止するように封止基板が配設されており、この封止基板の下面の凹部と対向する部位に薄板部が周囲に張り出して一体に形成された可動腕を介して取着され、薄板部の駆動電極と対向する部位に上部駆動電極が、下部電極と対向する部位に上部電極がそれぞれ配設されており、薄板部は可動腕の変形とともに底面側に移動して上部電極が下部電極に電気的に接続するように変形可能であることから、基板上に封止基板を配設することで、薄板部および可動腕（以下、駆動部という。）を基板上に配置すると同時にこの駆動部を封止することができるので、下部電極，駆動電極，上部電極，上部駆動電極が加熱される回数が低減されるため、これらの電極表面の酸化を抑制することができる。このため、下部電極と上部電極との接触抵抗が増加することがなくなり、駆動電極と上部駆動電極とに駆動用の電圧を印加すると所望の大きさの静電引力を得ることができ、ＭＥＭＳスイッチとしての応答特性が安定し、スイッチング特性の良好なエレクトロメカニカルスイッチとなるとともに、電極の抵抗値が増大して消費電力が増大することを防ぐことができる。

以下、本発明について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は本発明のエレクトロメカニカルスイッチの実施形態の一例を示す、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。

図１において10は基板，11は下部電極，12は駆動電極，13は凹部，20は封止基板，21は薄板部，22は上部電極，23は上部駆動電極，24は可動腕である。

本発明のエレクトロメカニカルスイッチは、図１に示すように、基板10上に凹部13が形成されており、凹部13の底面に下部電極11と駆動電極12とが配設され、基板10上に凹部13を封止するように封止基板20が配設されており、封止基板20の下面の凹部13と対向する部位に薄板部21が周囲に張り出して一体に形成された可動腕24を介して取着され、薄板部21の駆動電極12と対向する部位に上部駆動電極23が、下部電極11と対向する部位に上部電極22がそれぞれ配設されており、薄板部21は可動腕24の変形とともに底面側に移動して上部電極22が下部電極11に電気的に接続するように変形可能となっている。

このように本発明のエレクトロメカニカルスイッチは、基板10と駆動機能および封止機能を有する封止基板20との２つの部材から形成されている。また、図１（ａ）においては、下部電極11および駆動電極12は凹部13の底面から側面を経て基板10の上面まで連続したものが配設されており、基板10の上面でこれらの電極に電圧を印加するための端子となる電極パッド14，15とそれぞれ接続されており、電極パッド14，15にワイヤボンディング等を接合することで外部へと接続することができる。この電極パッド14，15は、基板10上の、封止基板20が配設されても露出している部位に形成されている。なお、エレクトロメカニカルスイッチの外部へと接続するための電極およびそれらの配線については上記の例に限定されず、例えば、凹部13の底面のみに下部電極11および駆動電極12を形成し、これらの電極に接続するような貫通導体を基板10の下面にかけて形成して、基板10の下面にて外部回路と接続してもかまわない。

このような本発明のエレクトロメカニカルスイッチは、オフ時には、図１（ｂ）に示すように、上部電極22および可動腕24からなる駆動部は凹部13の底面に対して平行となっており、高周波信号の電圧（以下、信号電圧という）が印加される信号線としての役割を有する下部電極11とは電気的に絶縁された状態となっている。

そして、オン時には、駆動電極12と上部駆動電極23との間に電圧を印加することにより、上部駆動電極23が駆動電極12に静電引力により静電気的に引き付けられ、駆動部が凹部13の底面側へ向かって変形して移動し、上部電極22が下部電極11と接触することで、電気的に接続される。

このような構成のエレクトロメカニカルスイッチによれば、封止基板20を基板10上に配設することで、駆動部を下部電極11および駆動電極12に対向させて配置すると同時に、駆動部を封止することができる。従来の構成のＭＥＭＳスイッチによれば、基板と駆動部とを接合した後にパッケージ部材を接合するため２回の熱処理が必要であったが、本発明のエレクトロメカニカルスイッチの構成によれば、１回の熱処理で済む。このため、下部電極11，駆動電極12，上部電極22，上部駆動電極23の各電極が加熱される回数を減少させることができるため、これらの電極表面の酸化を抑制することができ、下部電極11と上部電極22との接触抵抗が増加することを防ぐことができるので、良好に信号を伝送することができる。また、駆動電極12と上部駆動電極23とに駆動用の電圧を印加すると所望の大きさの静電引力を得ることができ、ＭＥＭＳスイッチとしての応答特性が安定し、スイッチング特性の良好なエレクトロメカニカルスイッチとなるとともに、電極の抵抗値が増大して消費電力が増大することを防ぐことができる。

また、エレクトロメカニカルスイッチを、基板10と封止基板20とを接合する１回の接合で形成することができるので、従来のように先に接合する部分の熱処理温度を後に接合する部分の熱処理温度に比べて高くする必要がなくなるため、溶融温度の低い接着材料のみを用いてエレクトロメカニカルスイッチを形成することができる。このため、基板10と封止基板20とを接合するための熱処理温度を低下させることが可能となり、基板10と封止基板20との接合部の残留応力を低減させることができ、これにより信頼性の高いものとすることができる。

また、基板10上に封止基板20を配設することで、駆動部を基板10上に配置すると同時にこの駆動部を封止することができるので、従来のような基板上に駆動部を接合してからパッケージングするまでの間に駆動部に異物等が付着することで安定した動作を得られなくなるという問題点を解決することができ、スイッチング動作の安定したエレクトロメカニカルスイッチを提供することができる。

本発明のエレクトロメカニカルスイッチにおいては、基板10は、電気信号を伝送する際の損失が小さい方が好ましいため、ケイ素，サファイヤ，ジルコニア等の単結晶基板、あるいはガラス，セラミックス等から成る無機絶縁性基板、あるいは樹脂等から成る有機絶縁性基板等を用いることができる。また、エレクトロメカニカルスイッチの仕様に応じて、導電性材料からなる基板も選択可能である。なお、最近の通信機器を構成するための構成部材は低背化が要求されていることから、基板10の厚さとしては、100μｍから１μｍ程度のものが使用される。さらに好適には、ハンドリングが容易で、かつ低背化が可能な200μｍ程度の厚さとすることが望ましい。

基板10の上面に形成された凹部13は、上部電極22と下部電極11との間隔を保つことで電気的に絶縁された状態を確保して、オフ時に電気信号を伝送させないようにするものであり、その深さは数μｍ程度である。このような凹部13は、例えば図１（ｂ）に示すように、基板10の上面を加工することにより形成してもよいし、基板10上にスペーサを接合して形成してもよい。また、凹部13の側面は斜面としてもよいし、底面に対して垂直な面としてもよい。図１（ａ）に示すように、電極11，12を基板10の底面から上面まで連続して形成する場合には、凹部13の側面を斜面とすることで電極11，12が角部において断線しにくくなるので、歩留まりの高いエレクトロメカニカルスイッチとすることができる。また、凹部13の側面を底面に対して垂直なものとすると、凹部13の大きさを必要最小限とすることができるので、エレクトロメカニカルスイッチを小型化することができる。また、凹部13の底面は、オフ時における駆動部と平行となる平面であることが好ましい。さらに、信号伝送時の下部電極11から基板10側への漏洩を抑制するために、凹部13の底面の表面に熱酸化膜等の絶縁膜19を形成してもよい。

このような凹部13を形成するには機械的な加工，ＲＩＥ等のドライエッチング，ウェットエッチング等、種々の手法を用いることが可能である。例えば、基板10として単結晶ケイ素基板を用いた場合には、ＴＭＡＨやＫＯＨ等のアルカリ溶液にてエッチングすることができる。

凹部13の底面に配設された下部電極11は、上部電極22が下部電極11に接触することでオン状態となり、信号を伝送する働きをするものであり、基板10と密着性がよい導電性の材料を用いることが好ましい。例えば、Ａｕ，Ｃｒ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｃｕ等からなる導体膜やそれらの合金からなる導体膜、あるいはそれらを多層積層した構造の導体膜等を用いることができる。多層積層した構造としては、例えば、基板10側から順にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ，あるいはＣｒ／Ａｕ等の積層構造で、各層の厚さを0.1μｍ／0.2μｍ／0.5μｍ，あるいは0.5μｍ／１μｍとすれば基板10との密着性も良好となり好ましい。また、下部電極11に駆動電極としての機能を持たせてもよい。すなわち、上部電極22と下部電極11との間に電圧を印加すれば、駆動電極12と上部駆動電極23との間の静電引力に加えて、上部電極22と下部電極11との間の静電引力により駆動部を移動させることができるので、応答速度の速いエレクトロメカニカルスイッチを提供することができる。

下部電極11は、基板10の下面に接地導電層（不図示）を形成してマイクロストリップ線路やいわゆるグランド付きコプレーナ線路等としてもよいし、基板10上面の下部電極11の両側に接地導体が配置されたコプレーナ線路としてもよい。

また、下部電極11の形状は、特に限定されないが、図１（ａ）に示すように、上部電極22と対向する部分の中心部が途切れたものとすれば、薄板部21が静電引力により下部電極11側に移動して、下部電極11の途切れた箇所を上部電極22でつなぐように接触することで始めて信号を伝送することが可能となり、スイッチング動作を実現できる。また、下部電極11の上部電極22が接触する部分の幅を他の部位に比べて細くすることで、薄板部21を小型化して、その分可動腕24を長くすることができるため、空気抵抗が小さくなるので駆動部が凹部13の底面側に移動しやすくなり応答速度の速いエレクトロメカニカルスイッチを提供することができる。

凹部13の底面に配設された駆動電極12は、上部駆動電極23との間に電圧を印加することによって上部駆動電極23を静電引力により静電的に引き付ける働きをするものであり、基板10と密着性がよく、上部駆動電極23との間で静電引力を発生させることができる材料を用いることが好ましい。例えば、Ａｕ，Ｃｒ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｃｕ等からなる導体膜やそれらの合金からなる導体膜、あるいはそれらを多層積層した構造の導体膜等を用いることができる。例えば、基板10側から順にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ，あるいはＣｒ／Ａｕ等の積層構造で、各層の厚さを0.1μｍ／0.2μｍ／0.5μｍ，あるいは0.5μｍ／１μｍとすれば基板10との密着性も良好で、かつ上部駆動電極23との静電引力も得ることができるので好ましい。

このような下部電極11と駆動電極12とを図１（ａ）に示すように、下部電極11の両側を２つの駆動電極12で挟むようにして配置すれば、下部電極11の両側で駆動部を引き寄せる力（静電引力）のバランスが崩れにくくなるので、下部電極11に対して安定して駆動部を移動させることができ、安定したスイッチング動作を得ることができる。

また、下部電極11および駆動電極12のパターニングは、フォトリソグラフィ法に加え、ドライエッチング法，ウェットエッチング法，リフトオフ法等、下部電極11，駆動電極12の材料に適した方法を用いればよい。なお、下部電極11，駆動電極12を形成するための導体膜は、スパッタリング法や金属蒸着法，メッキ法，スクリーン印刷法等を用いて形成すればよい。

なお、下部電極11および駆動電極12から基板10側への信号の漏洩を確実に防ぐために、例えば基板10にケイ素を用いる場合であれば、熱酸化法等の方法によって、基板10の表面に酸化ケイ素からなる絶縁膜19を形成することが好ましい。また、このような絶縁膜19は、基板10が導電性を有する場合にも基板10と下部電極11および駆動電極12との間に必要となる。なお、これらの下部電極11および駆動電極12の表面を保護したり、大きな静電引力を得るために、酸化ケイ素や窒化ケイ素等の絶縁材料からなる層を下部電極11および駆動電極12の表面に形成してもよい。

封止基板20は、凹部13を封止して封止基板20の下面の凹部13と対向する位置に取着された駆動部を保護する働きをするものであり、機密性に優れた材料を用いることが好ましい。例えば、ケイ素，サファイア等の単結晶基板や、樹脂材料からなる有機基板等を用いればよい。なお、最近の通信機器を構成するための構成部材は低背化が要求されていることから、封止基板20の厚さとしては、100μｍから１μｍ程度のものが使用される。さらに好適には、ハンドリングが容易で、かつ低背化が可能な200μｍ程度の厚さとすることが望ましい。また、封止基板20の大きさは、凹部13を封止するために凹部13より大きい面積が必要である。

封止基板20の下面に取着される薄板部21および可動腕24は、基板10の凹部13に対応する位置に取着され、駆動部として変形して薄板部21に配設された上部電極22が下部電極11に接触するように凹部13の底面側に移動するものであり、静電引力により変形して駆動することが容易な材料からなることが望ましい。このような薄板部21および可動腕24には、降伏強度が13ＧＰａと高い値を有する単結晶ケイ素を使用することが望ましい。

このような薄板部21および可動腕24の形状は、静電引力により変形して凹部13の底面側に移動できるものであれば、特に限定されない。図２（ａ）〜（ｄ）にそれぞれ封止基板20の下面から見た薄板部21および可動腕24の形状の例を平面図で示す。図２においては、上部電極22，上部駆動電極23の図示を省略している。図２（ａ）に示すように、矩形状の薄板部21から１つの棒状の可動腕24が張り出したものでもよいし、図２（ｂ）に示すように、矩形状の薄板部21の４つの辺の中央からそれぞれ棒状の可動腕24が張り出したものでもよいし、図２（ｃ）に示すように、矩形状の薄板部21の４つの角部からそれぞれ棒状の可動腕24が張り出したものでもよい。なお、可動腕24のアスペクト比は大きいほど容易に駆動部を移動させることができるので好ましい。また、可動腕24は棒状に限定されず、図２（ｄ）に破線で示すように、台形状の可動腕24がその上辺の角部で、矩形状の薄板部21の４つの角部にそれぞれつながるようにして形成されたものとしてもよい。また、図２においては薄板部21を矩形状としたが、円形状でも台形状等でもよい。

このような薄板部21および可動腕24を封止基板20の下面に取着するには、封止基板20の下面を加工して封止基板20と一体に形成すればよい。

なお、薄板部21および可動腕24のそれぞれの大きさは、駆動部として凹部13の底面側に変形して移動することができれば特に限定されないが、凹部13と対向する面のほぼ全面にわたって駆動部を形成し、かつ可動腕24のアスペクト比を大きくなるようにして形成すれば、駆動部が容易に変形して凹部13の底面側に移動することができるので、応答速度の速いエレクトロメカニカルスイッチを提供することができる。

この薄板部21に配置された上部電極22は、下部電極11に接触することでオン状態とする働きをするものであり、薄板部21と密着性がよい導電性の材料を用いることが好ましい。例えば、Ａｕ，Ｃｒ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｃｕ等からなる導体膜やそれらの合金からなる導体膜、あるいはそれらを多層積層した構造の導体膜等を用いることができる。特に、表面の酸化反応が進みにくいＡｕを用いることが好ましい。また、多層積層した構造としては、例えば、薄板部21側から順にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ，あるいはＣｒ／Ａｕ等の積層構造で、各層の厚さを0.1μｍ／0.2μｍ／0.5μｍ，あるいは0.5μｍ／１μｍとすれば薄板部21との密着性も良好となり好ましい。また、上部電極22に駆動電極としての機能を持たせてもよい。すなわち、上部電極22と下部電極11との間に電圧を印加すれば、駆動電極12と上部駆動電極23との間の静電引力に加えて、上部電極22と下部電極11との間の静電引力により駆動部を移動させることができるので、応答速度の速いエレクトロメカニカルスイッチを提供することができる。

また、薄板部21に配置された上部駆動電極23は、駆動電極12との間に電圧を印加することによって駆動電極12側に静電引力により静電的に引き付けられる働きをするものであり、薄板部21と密着性がよく、駆動電極12との間で静電引力を発生させることができる材料を用いることが好ましい。例えば、Ａｕ，Ｃｒ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｃｕ等の導体膜やそれらの合金からなる導体膜，それらを多層積層した構造の導体膜等を用いることができる。なお、凹部13と対向する限られた面積の中で、可能な限り可動腕24のアスペクト比を大きくして駆動部の応答速度を速くするために、薄板部21の大きさを小さくし、上部駆動電極23の一部を可動腕24に配設してもよい。

上部電極22および上部駆動電極23のパターニングは、フォトリソグラフィ法に加え、ドライエッチング法，ウェットエッチング法，リフトオフ法等、導体膜の材料に適した方法を用いればよい。なお、上部電極22および上部駆動電極23は、スパッタリング法や金属蒸着法，メッキ法，スクリーン印刷法等を用いて形成可能である。

なお、上部電極22および上部駆動電極23から封止基板20側への信号の漏洩を確実に防ぐために、例えば封止基板20にケイ素を用いる場合であれば、熱酸化法等の方法によって、封止基板20の表面に酸化ケイ素からなる絶縁膜26を形成することが好ましい。また、このような絶縁膜26は、封止基板20が導電性を有する場合にも、封止基板20と上部電極22および上部駆動電極23との間に必要となる。また、これらの上部電極22および上部駆動電極23の表面を保護したり、上部駆動電極23において大きな静電引力を得るために、酸化ケイ素や窒化ケイ素の絶縁材料を上部駆動電極23表面に形成してもかまわない。

上述した基板10と封止基板20とを、封止基板20によって基板10の凹部13を封止するように配設して本発明のマイクロメカニカルスイッチが形成される。基板10と封止基板20とは、半田材料や有機材料，低融点ガラス等の接着剤を介して接合したり、基板10と封止基板20との間に高電圧を印加して接合を行なう、いわゆる陽極接合により接合したりすればよい。半田等の導電性材料を使用する場合においては、接合部に下部電極11および駆動電極12が形成されているときには電極表面上に絶縁層を形成する必要がある。なお、基板10と封止基板20とで封止される空間（凹部13）は、内部に形成された各電極11，12，22，23の酸化等による劣化を防ぐために、窒素を充填したり、真空にしたりすることが好ましい。このような構成のものを形成するために必要な製造プロセスへの適用性からは、低融点ガラスにより基板10と封止基板20とを接合することが好ましい。

次に図３（ａ）〜（ｆ）を用いて、図１に示す本発明のエレクトロメカニカルスイッチを例にエレクトロメカニカルスイッチの製造方法を説明する。図３（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ図１に示す本発明のエレクトロメカニカルスイッチの製造方法の一例を示す工程毎の断面図および平面図である。図３において、図１と同様のものには同じ符号を付してある。

本発明のエレクトロメカニカルスイッチの製造方法は、基板10上に凹部13を形成する工程と、凹部13の底面に下部電極11と駆動電極12とを配設する工程と、単結晶ケイ素基板27に酸化ケイ素層25と単結晶ケイ素層28とが積層されてなる封止基板20の単結晶ケイ素層28を少なくとも一箇所で切れ目32を有する枠状に除去して酸化ケイ素層25を露出させる工程と、枠状部31の内側に位置する酸化ケイ素層25をエッチングにより除去して枠状部31の内側の単結晶ケイ素層28を薄板部21および可動腕24に加工する工程と、薄板部21に上部電極22と上部駆動電極23とを配設する工程と、基板10上に封止基板20を、薄板部21を凹部13の内側に配置して、上部電極22を下部電極11に、上部駆動電極23を駆動電極12にそれぞれ対向させて配設して凹部13を封止する工程とを順次行なうものである。

図３（ａ）に示すように、基板10として、例えばケイ素基板16の上にエッチングを停止させるためのエッチング停止層17，ケイ素層18を順次積層したものを形成する。ここで、ケイ素層18の厚みは凹部13の深さと同程度とする。

次に図３（ｂ）に示すように、基板10上に凹部13を形成し、基板10の表面に絶縁膜19を形成し、凹部13の底面に下部電極11および駆動電極12を、これらの電極11，12にそれぞれ一体となるように基板10の上面にパッド電極14，15を形成する。ここで、凹部13を形成するには機械的な加工，ＲＩＥ等のドライエッチング，ウェットエッチング等、種々の手法を用いることが可能であるが、例えば、ケイ素基板16の上に酸化ケイ素等のエッチング停止層17，ケイ素層18を順次積層した、いわゆるＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板を用いてＴＭＡＨやＫＯＨ等のアルカリ溶液にてケイ素層18をエッチング停止層17が露出するまでエッチングすれば、凹部13の深さを精度良く制御できるため好ましい。各電極11，12，14，15はＡｕ，Ｃｒ等の導体膜をスパッタリング法などの通常の薄膜作製方法で形成し、フォトリソグラフィ等の技術で所定のパターンに加工すればよい。

一方、図３（ｃ）に示すように、単結晶ケイ素基板27に酸化ケイ素層25と単結晶ケイ素層28とが積層された封止基板20を形成する。ここで、単結晶ケイ素層28の厚みは、薄板部21および可動腕24の所望の厚みと等しくする。

次に、図３（ｄ）に示すように、単結晶ケイ素層28を、例えば、ＳＦ_６等のフッ素系ガスを用いたエッチング等により枠状に除去して酸化ケイ素層25を露出させる。ここで、枠状部31の少なくとも一箇所に、この例では４箇所に切れ目32を設け、切れ目32部では単結晶ケイ素層28を除去せずにおく。

次に、図３（ｅ）に示すように、枠状部31の内側に位置する犠牲層となる酸化ケイ素層25をＨＦ，ＢＨＦ等を用いたウェットエッチングや、フッ酸系のガスを用いたドライエッチングにより除去して枠状部31の内側の単結晶ケイ素層28を薄板部21および可動腕24に加工する。ここで、切れ目32部直上の酸化ケイ素層25も除去され、切れ目32部が可動腕24となる。なお、薄板部21，可動腕24の直上以外の酸化ケイ素層25を保護するために、露出した酸化ケイ素層25部分の外側に沿って窒化ケイ素膜等の保護膜を形成してからエッチングしてもよい。さらに、薄板部21の単結晶ケイ素基板27と対向する面と反対側の面に、例えば薄板部21を熱酸化して酸化ケイ素からなる絶縁膜26を形成し、その絶縁膜26上に上部電極22，上部駆動電極23を形成する。これらの電極22，23は、Ａｕ，Ｃｒ等の導体膜をスパッタリング法などの通常の薄膜作製方法で形成し、フォトリソグラフィ等の技術で所定のパターンに加工すればよい。

次に、図３（ｆ）に示すように、基板10上に封止基板20を、薄板部21を凹部13の内側に配置して、上部電極22を下部電極11に、上部駆動電極23を駆動電極12にそれぞれ対向させて配設して凹部13を封止することで、本発明のエレクトロメカニカルスイッチが作製できる。基板10と封止基板20とを接合するには、陽極接合により接合したり、半田材料，有機材料，フリットガラス等の接着剤を介して接合すればよい。

このように、このエレクトロメカニカルスイッチの製造方法によれば、全てウエハプロセスで行なうことができるので、量産性に優れたエレクトロメカニカルスイッチを低コストで提供することができる。また、単結晶ケイ素により形成されている薄板部21および可動腕24が封止基板20と一体形成されていることより、駆動部の強度が高く、信頼性の高いエレクトロメカニカルスイッチを提供することができる。さらに、駆動部が封止基板20の下面を加工して、一体に形成されたものであることから、駆動部が上下方向に歪むことなく、オフ状態において凹部10の底面と常に平行に配置することができるので、駆動の安定したエレクトロメカニカルスイッチを提供することができる。さらに、単結晶ケイ素基板27に酸化ケイ素層25と単結晶ケイ素層28とが積層された、いわゆるＳＯＩ基板を封止基板20として用いることにより、薄板部21および可動腕24となる単結晶ケイ素層28の厚みを設定した値からのズレが±５％程度となるように高精度に制御することができる。このため、薄板部21および可動腕24を常に一定の厚みで形成することができるので、駆動の安定したエレクトロメカニカルスイッチを提供することが可能である。

なお、本発明のエレクトロメカニカルスイッチは上記の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更・改良を加えることは何ら差し支えない。例えば、上述の例では、封止基板20の下面に、封止基板20と一体に駆動部を形成するために、単結晶ケイ素基板27に犠牲層としての機能を有する酸化ケイ素層25，単結晶ケイ素層28を積層したものを用いた例について説明したが、酸化ケイ素層25は後からエッチングしたり溶解させたりすることにより除去されるものであればよく、例えば非結晶のケイ素，フォトレジスト，その他ポリマー材料等からなる層を適宜選択可能である。

本発明のエレクトロメカニカルスイッチの具体例について、図１に示すエレクトロメカニカルスイッチを図３に示す製造方法により製造する例について説明する。

基板10として、ケイ素基板16上にエッチング停止層17，ケイ素層18を積層した厚み525μｍのＳＯＩ基板を使用した。なお、下部電極11と上部電極22との間隔を３μｍとするために、ケイ素層18の厚みは３μｍとし、エッチング停止層17の厚みを１μｍとした。

まず、基板10上にＫＯＨのエッチングマスクとして使用する窒化ケイ素膜を1000Åの厚みでＬＰ（Low Pressure）−ＣＶＤ法にて形成した。この窒化ケイ素膜上にフォトリソグラフィ法によりフォトレジストをパターニングし、ＲＩＥにより凹部13を形成する部分の窒化ケイ素膜を除去した。フォトレジストを剥離した後、ＫＯＨにて基板10のケイ素層17をエッチング停止層18が露出するまで異方性エッチングし、深さ３μｍの凹部13を形成した。

次に窒化ケイ素膜を剥離した後、熱酸化により、基板10の表面および凹部13の底面および斜面に酸化ケイ素膜を1000Åの厚みに形成した。さらに、凹部13の底面に、Ｃｒ／Ａｕの積層膜を電子ビーム蒸着法により形成し、リフトオフ法によりパターニングして下部電極11および駆動電極12を形成した。

次に封止基板20として、ケイ素基板27上に酸化ケイ素層25，単結晶ケイ素層28を積層した厚み525μｍのＳＯＩ基板を使用した。薄板部21の厚みを１μｍとするために、単結晶ケイ素層28の厚さを１μｍ，犠牲層となる酸化ケイ素層25の厚さを１μｍとした。

次に、単結晶ケイ素層28を少なくとも一箇所切れ目32のある枠状部31にＲＩＥ法によりエッチングして除去して、酸化ケイ素層25を露出させた。なお、エッチングマスクはフォトリソグラフィ法にて作製したレジストパターンを使用した。さらに、封止基板20をＨＦ溶液に浸し、枠状部31の内側に位置する酸化ケイ素層25を除去して、枠状部31の内側の単結晶ケイ素層28を薄板部21および可動腕24に形成した。この薄板部21の表面に熱酸化法により酸化ケイ素膜からなる絶縁膜26を1000Åの厚みで形成し、その上にＣｒ／Ａｕの積層膜を電子ビーム蒸着機により形成し、リフトオフ法によりパターニングして、上部電極22および上部駆動電極23を形成した。

しかる後に、基板10上面の凹部13の外周部に低融点ガラスからなる接着層を印刷法により形成し、基板10と封止基板20とを張り合わせた後、380℃にて１時間の熱処理を行ない、接合した。

このようにして作製したエレクトロメカニカルスイッチは、設計通りの電圧を印加することによりオン状態となり、信号を伝送することができた。このため、本発明のエレクトロメカニカルスイッチは、各電極11，12，22，23は酸化等により抵抗値が増加することなく形成されていることより、所望の応答特性を有することが確認できた。また、５Ｖの電圧を印加してスイッチング動作をさせたところ、５μｓｅｃの応答速度で、10^９回連続して問題なく動作することが確認できた。このように、本発明のエレクトロメカニカルスイッチによれば、所望の応答特性を有するとともに、信頼性の高いものとなることが確認できた。

（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明のエレクトロメカニカルスイッチの実施の形態の一例を示す斜視図および断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、それぞれ薄板部および可動腕の形状の例を示す平面図である。 （ａ）〜（ｆ）は、それぞれ本発明のエレクトロメカニカルスイッチの製造方法の一例を示す工程毎の断面図および平面図である。

10・・・基板
11・・・下部電極
12・・・駆動電極
13・・・凹部
14・・・電極パッド
15・・・電極パッド
19・・・絶縁膜
20・・・封止基板
21・・・薄板部
22・・・上部電極
23・・・上部駆動電極
24・・・可動腕

Claims (1)

1. 凹部が設けられている基板と、前記凹部に対向して設けられている薄板部、および該薄板部に一体に形成されている複数の可動腕を有する封止基板とを有しており、
   前記凹部は、底面に、途切れた箇所を有する下部電極と、複数の駆動電極とが設けられており、
   前記薄板部は、上部電極が前記下部電極の途切れた箇所と対向する部位に、上部駆動電極が前記複数の駆動電極と対向する部位に設けられており、
   前記可動腕は、前記上部電極が前記下部電極の途切れた箇所を電気的に接続するように前記凹部の底面側に変形可能に構成されており、
   前記下部電極は、前記上部電極が接触する部位の幅が他の部位の幅に比べて狭くなっており、
   前記複数の駆動電極は、前記下部電極を挟むように当該下部電極の両側に配置されており、前記下部電極の途切れた箇所に設けられていない、エレクトロメカニカルスイッチ。
   

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