JP4447940B2 - マイクロスイッチング素子製造方法およびマイクロスイッチング素子 - Google Patents

マイクロスイッチング素子製造方法およびマイクロスイッチング素子 Download PDF

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Description

本発明は、MEMS技術を利用したマイクロスイッチング素子製造方法、および、これにより製造されるマイクロスイッチング素子に関する。
携帯電話など無線通信機器の技術分野では、高機能を実現するために搭載される部品の増加などに伴い、高周波回路ないしRF回路の小型化に対する要求が高まっている。このような要求に応ずるべく、回路を構成する様々な部品について、MEMS(micro-electromechanical systems)技術の利用による微小化が進められている。
そのような部品の一つとして、MEMSスイッチが知られている。一般に、MEMSスイッチは、機械的に開閉してスイッチングを実効する少なくとも一対のコンタクト電極と、当該電極対の機械的開閉動作を達成すべく静電気力を発生させるための少なくとも一対の駆動電極とを具備する。これら各部位は、所定の材料基板においてMEMS技術により微小に成形される。MEMSスイッチは、特にGHzオーダーの高周波信号のスイッチングにおいて、従来使用されているPINダイオードやMESFETなどよりなるスイッチング素子よりも、開状態にて高い絶縁性を示し且つ低い挿入損失を示す傾向にある。これは、コンタクト電極対間の機械的開離により開状態が達成されることや、機械的スイッチであるために寄生容量が少ないことに、起因する。MEMSスイッチについては、例えば、下記の特許文献1や特許文献2に記載されている。
特開平9‐17300号公報 特開2000‐188050号公報
図20および図21は、従来のMEMSスイッチの一例であるマイクロスイッチング素子X3を表す。図20は、マイクロスイッチング素子X3の部分平面図であり、図21は、図20の線XXI−XXIに沿った断面図である。マイクロスイッチング素子X3は、基板301と、一対のコンタクト電極302と、二つの駆動電極303と、可動部304と、補強めっき膜305とを備える。一対のコンタクト電極302は、相互に離隔して基板301上に設けられている。二つの駆動電極303は、一対のコンタクト電極302を介して対称的に基板301上に設けられている。可動部304は、コンタクト電極302および駆動電極303の上方を跨ぐように基板301上に立設されている。また、可動部304は、その全体が導電材料膜よりなるか、或は導電材料膜と絶縁材料膜の二層構造を有し、図21によく表れているようなコンタクト電極部304aおよび二つの駆動電極部304bを備える。コンタクト電極部304aは、両コンタクト電極302の端部に対向し、各駆動電極部304bは、一方の駆動電極303に対向する。補強めっき膜305は、可動部304における基板301との接合部の機械的強度を補うためのものである。また、基板301上には、コンタクト電極302、駆動電極303、または可動部304に対して電気的に接続する所定の配線パターン(図示略)が形成されている。このようなマイクロスイッチング素子X3では、駆動電極303と駆動電極部304bの間に静電引力を発生させて可動部304を変形させることによって、コンタクト電極部304aとコンタクト電極302とが接触する状態を選択的に実現してスイッチングを行なう。
図22および図23は、マイクロスイッチング素子X3の製造方法の一部の工程を表す。マイクロスイッチング素子X3の製造においては、まず、図22(a)に示すように、基板301上に各駆動電極303をパターン形成する。次に、図22(b)に示すように、基板301上に各コンタクト電極302をパターン形成する。次に、図22(c)に示すように、コンタクト電極302および駆動電極303を覆いつつ所定材料を基板301に堆積させることによって、犠牲層306を形成する。次に、所定のマスクを介するエッチング処理により犠牲層306の表面に所定の形状を形成した後、図22(d)に示すように、犠牲層306を所定の形状にパターニングする。次に、図23(a)に示すように、犠牲層306を覆いつつ所定材料を基板301上に成膜することによって、材料膜304’を形成する。次に、図23(b)に示すように、材料膜304’を所定の形状にパターニングすることによって、可動部304を形成する。次に、図23(c)に示すように、可動部304の各両端上に補強めっき膜305をパターン形成する。図23(d)に示すように、犠牲層306をエッチング除去し、基板301と可動部304の間に空隙を設ける。
マイクロスイッチング素子X3の製造においては、図22(d)を参照して上述したように、犠牲層306をパターニングする必要がある。加えて、図23(c)を参照して上述したように、可動部304の両端上に補強めっき膜305をパターン形成する必要がある。補強めっき膜305を設けない場合、スイッチングのための変形が繰り返される可動部304の両端部(可動部304において基板301と接合する部位およびその近傍)は機械的に破損しやすく、実用的な素子が得られない。これら犠牲層パターニング工程および補強めっき形成工程は、素子製造において歩留まりを低下せしめる傾向にある。
図24および図25は、従来のMEMSスイッチの他の例であるマイクロスイッチング素子X4を表す。図24は、マイクロスイッチング素子X4の部分平面図であり、図25は、図24の線XXV−XXVに沿った断面図である。マイクロスイッチング素子X4は、基板401と、一対のコンタクト電極402と、二つの駆動電極403と、一対の支持部404と、可動梁部405とを備える。一対のコンタクト電極402は、相互に離隔して基板401上に設けられている。二つの駆動電極403は、一対のコンタクト電極402を介して対称的に基板401上に設けられている。一対の支持部404は、これら電極を介して対称的に基板401上に設けられている。可動梁部405は、コンタクト電極402および駆動電極403の上方に位置するように、一対の支持部404を架橋する。支持部404は絶縁材料よりなり、可動梁部405は、その全体が導電材料膜よりなるか、或は導電材料膜と絶縁材料膜の二層構造を有する。また、可動梁部405は、コンタクト電極部405aおよび二つの駆動電極部405bを有する。コンタクト電極部405aは、両コンタクト電極402の端部に対向し、各駆動電極部405bは、一方の駆動電極403に対向する。また、マイクロスイッチング素子X4には、コンタクト電極402、駆動電極403、または可動梁部405に対して電気的に接続する所定の配線(図示略)が例えば基板401上に設けられている。このようなマイクロスイッチング素子X4では、駆動電極403と駆動電極部405bの間に静電引力を発生させて可動梁部405を変形させることによって、コンタクト電極部405aとコンタクト電極402とが接触する状態を選択的に実現してスイッチングを行なう。
図26および図27は、マイクロスイッチング素子X4の製造方法の一部の工程を表す。マイクロスイッチング素子X4の製造においては、まず、図26(a)に示すように、基板401上に各コンタクト電極402および各駆動電極403をパターン形成する。次に、所定材料を基板401上に堆積させた後に当該材料膜をパターニングすることによって、図26(b)に示すように一対の支持部404を形成する。次に、図26(c)に示すように、コンタクト電極402、駆動電極403、支持部404を覆いつつ基板401に所定材料を堆積させることによって材料膜406’を形成する。次に、図26(d)に示すように、材料膜406’を研磨することによって、支持部404を露出させ、且つ、当該支持部404と同一の厚さを有する犠牲層406を形成する。次に、図27(a)に示すように、所定のマスクを介するエッチング処理によって犠牲層406の表面に所定の形状を形成する。次に、図27(b)に示すように、所定の導電材料を成膜することにより、犠牲層406上に材料膜405’を形成する。次に、図27(c)に示すように、材料膜405’をパターニングすることにより可動梁部405を形成する。次に、図27(d)に示すように、犠牲層406をエッチング除去し、基板401と可動梁部405の間に空隙を設ける。
マイクロスイッチング素子X4の製造においては、図26(b)を参照して上述したように、一対の支持部404を基板401上にパターン形成する必要がある。加えて、図26(d)を参照して上述したように、適切な厚さを有する犠牲層406を形成するために材料膜406’を研磨する必要がある。これらの工程は、素子製造において歩留まりを低下せしめる傾向にある。
本発明は、このような事情のもとで考え出されたものであって、マイクロスイッチング素子を歩留まりよく製造することのできる方法、および、当該方法により製造されるマイクロスイッチング素子を、提供することを目的とする。
本発明の第1の側面によるとマイクロスイッチング素子が提供される。本方法は、基板と、相互に離隔して基板に固定された一対の支持部と、一対の支持部を架橋する膜体、並びに、当該膜体上に配された可動コンタクト電極および可動駆動電極、を有する可動梁部と、可動コンタクト電極に対向する一対の固定コンタクト電極と、可動駆動電極と協働して静電気力を発生させるための固定駆動電極と、を備えるマイクロスイッチング素子を製造するための方法である。また、本方法は、基板上に犠牲層を形成するための犠牲層形成工程と、犠牲層上に膜体を形成するための膜体形成工程と、相互に離隔して基板および膜体の間に介在する一対の支持部が残存形成されるように、犠牲層に対して膜体を介してエッチング処理を施すための支持部形成工程と、を含む。膜体を介してエッチング処理を施すとは、膜体の少なくとも一部をエッチングマスクとして利用してエッチング処理を行なうことをいう。
このような方法によると、マイクロスイッチング素子を歩留まりよく製造することができる。本方法においては、犠牲層を形成する前に一対の支持部を基板上にパターン形成するための工程は必要なく、且つ、可動部用の膜体を犠牲層上に形成する前に犠牲層をパターニングするための工程も必要ない。本方法では、一対の支持部は、膜体形成面を提供するという機能を終えた犠牲層の一部(実質的に大部分)を除去する際に、犠牲層材料に由来して基板および膜体の間に残存形成される。このようにして、本方法では、一対の支持部は効率よく形成される。加えて、本方法では、可動部の両端部を補強するための部材を形成するための工程は必要なく、且つ、犠牲層を研磨するための工程も必要ない。本発明の第1の側面に係る方法によると、このように効率よくマイクロスイッチング素子を製造することができ、従って、マイクロスイッチング素子を歩留まりよく製造することができるのである。このような方法は、マイクロスイッチング素子を安価に製造するうえで好適である。
本発明の第1の側面における一の好ましい実施の形態は、犠牲層形成工程の前に、固定駆動電極および一対の固定コンタクト電極を基板上に形成するための工程を含む。本実施形態の膜体形成工程で形成される膜体は、一対の固定コンタクト電極に対応する箇所に少なくとも一つの開口部を有する。加えて、本実施形態は、膜体形成工程の後であって支持部形成工程の前に、開口部を挿通して一対の固定コンタクト電極に対向する部位を有する可動コンタクト電極、および可動駆動電極を膜体上に形成するための工程を含む。このような構成によると、一対の支持部が固定されている基板上に固定コンタクト電極および固定駆動電極が配設されたマイクロスイッチング素子を、適切に製造することができる。
本発明の第1の側面における他の好ましい実施の形態は、固定駆動電極および一対の固定コンタクト電極を追加基板上に形成するための工程と、可動コンタクト電極と一対の固定コンタクト電極とが対向し且つ可動駆動電極と固定駆動電極とが対向するように基板および追加基板を少なくとも一つの接合壁を介して接合するための工程とを、更に含む。このような構成によると、一対の支持部が固定されている基板とは異なる追加基板上に固定コンタクト電極および固定駆動電極が配設されたマイクロスイッチング素子を、適切に製造することができる。この場合、好ましくは、基板、追加基板、および接合壁は、可動コンタクト電極、一対の固定コンタクト電極、可動駆動電極、および固定駆動電極を素子外部から隔絶するような形態を有する。このようにして、適切にウエハーレベルパッケージが達成されたマイクロスイッチング素子を得ることができる。
本発明の第1の側面において、好ましくは、犠牲層はシリコンよりなり、膜体は二酸化シリコンまたは窒化シリコンよりなる。このような構成は、支持部形成工程にて犠牲層に対するエッチング処理としてドライエッチングを採用する場合に特に好適である。或は、本発明では、犠牲層材料として二酸化シリコンを採用し且つ膜体材料としてシリコンを採用してもよい。このような構成は、支持部形成工程にて犠牲層に対するエッチング処理としてウエットエッチングを採用する場合に特に好適である。
本発明の第1の側面において、膜体の厚さは1.5μm以上であるのが好ましい。このような構成は、可動梁部が不当に撓むことを防止するうえで好適である。
本発明の第2の側面によるとマイクロスイッチング素子が提供される。本素子は、基板と、相互に離隔して基板に固定された一対の支持部と、一対の支持部を架橋する膜体、並びに当該膜体上に配された可動コンタクト電極および可動駆動電極、を有する可動梁部と、基板上に設けられて可動コンタクト電極に対向する一対の固定コンタクト電極と、可動駆動電極と協働して静電気力を発生させるための、基板上に設けられた固定駆動電極と、を備える。また、本素子における一対の支持部は、基板および可動梁部の間に一旦介在する犠牲層の一部を除去することによって残存形成されたものである。このようなマイクロスイッチング素子は、本発明の第1の側面における一の好ましい実施の形態により適切に製造することができる。
本発明の第3の側面によると他のマイクロスイッチング素子が提供される。本素子は、第1基板およびこれに対向する第2基板と、相互に離隔して第1基板に固定された一対の支持部と、一対の支持部を架橋する膜体、並びに当該膜体上に配された可動コンタクト電極および可動駆動電極、を有して第1基板および第2基板の間に位置する可動梁部と、第2基板上に設けられて可動コンタクト電極に対向する一対の固定コンタクト電極と、可動駆動電極と協働して静電気力を発生させるための、第2基板上に設けられた固定駆動電極と、第1基板および第2基板の間に介在する接合壁と、を備える。第1基板、第2基板、および接合壁は、可動コンタクト電極、一対の固定コンタクト電極、可動駆動電極、および固定駆動電極を素子外部から隔絶する形態を有する。このようなマイクロスイッチング素子は、本発明の第1の側面における他の好ましい実施の形態により適切に製造することができる。
図1および図2は、本発明の第1の実施形態に係るマイクロスイッチング素子X1を表す。図1は、マイクロスイッチング素子X1の部分平面図であり、図2は、図1の線II−IIに沿った断面図である。マイクロスイッチング素子X1は、基板S1と、一対の支持部20と、可動梁部30とを備える。
基板S1上には、相互に離隔する一対の固定コンタクト電極11、および、これらを介して対称的に配された二つの固定駆動電極12が、設けられている。図3は、これら一対の固定コンタクト電極11および二つの固定駆動電極12の基板S1上でのパターン形状を表す。各固定コンタクト電極11は、図外の配線を介してスイッチング対象の所定の回路に接続されている。各固定駆動電極12は、図外の配線を介してグランド接続されている。一対の支持部20は、これら電極を間に介して対称的に配されて、基板S1および可動梁部30の間に介在する。可動梁部30は、膜体31と、可動コンタクト電極32と、二つの可動駆動電極33と、二つの配線部34とからなる。図4は、膜体31のパターン形状を表し、図5は、可動コンタクト電極32、二つの可動駆動電極33、および二つの配線部34のパターン形状を表す。
可動梁部30の膜体31は、主部31Aと、一対の端基部31Bと、これらを連結する4本の連結部31Cとからなる。主部31Aは、一対の開口部31aおよび複数の開口部31bを有する。各開口部31aは、固定コンタクト電極11の端部に対応する箇所に設けられており、その開口形状は、一辺が例えば20μmの正方形である。開口部31bの開口形状は、直径が例えば5μmの円形である。主部31Aについて、図4に示す長さL1は例えば150〜300μmであり、幅W1は例えば100〜250μmである。膜体31ないし可動梁部30について不当な反りを抑制するには、膜体31の厚さは好ましくは1.5μm以上であり、W1/L1の値は好ましくは0.4以上である。各端基部31Bは支持部20と直接的に接合する部位であり、各端基部31Bについて、図4に示す幅W2は例えば100〜200μmである。各連結部31Cについて、図4に示す幅W3は例えば5〜30μmである。細い連結部31Cを介して端基部31Bに主部31Aが連結される構造に起因して、膜体31ないし可動梁部30において良好な弾性変形が得られることとなる。また、膜体31において、幅W2は、主部31Aの任意の縁端から当該縁端に対して最も近い開口部31bまでの長さ(例えば10〜30μm)、主部31A内での開口部31bの形成ピッチ(例えば10〜30μm)、および幅W3より長い。
可動コンタクト電極32は、膜体31上において一対の固定コンタクト電極11の端部に対応する箇所に設けられており、一対の凸部32aを有する。各凸部32aは、図2に示すように、膜体31の開口部31aを挿通して固定コンタクト電極11に対向する。また、可動コンタクト電極32は、膜体31の一部の開口部31bに連通する開口部32bを有する。
各可動駆動電極33は、膜体31上において固定駆動電極12に対応する箇所に設けられている。各可動駆動電極33は、膜体31の一部の開口部31bに連通する開口部33aを有する。
各配線部34は、膜体31の端基部31B上および連結部31C上にその略全体が設けらて可動駆動電極33に連続する。両配線部34は図外の配線によって電気的に接続されている。したがって、両可動駆動電極33も電気的に接続されている。各配線部34上には給電用のバンプ電極(図示せず)が設けられている。或は、各配線部34には給電用のワイヤ(図示せず)が接続されている。
このような構成のマイクロスイッチング素子X1において、配線部34を介して両可動駆動電極33に所定の電位を付与すると、二組の可動駆動電極33および固定駆動電極12の間には静電引力が発生する。その結果、可動梁部30は、可動コンタクト電極32の各凸部32aが固定コンタクト電極11に当接する位置まで弾性変形する。このようにして、マイクロスイッチング素子X1の閉状態が達成される。この閉状態においては、可動コンタクト電極32により一対の固定コンタクト電極11が電気的に橋渡しされ、電流が当該固定コンタクト電極対11間を通過することが許容される。
閉状態にあるマイクロスイッチング素子X1において、可動駆動電極33および固定駆動電極12間に作用する静電引力を消滅させると、可動梁部30はその自然状態に復帰し、可動コンタクト電極32ないし各凸部32aは、固定コンタクト電極11から離隔する。このようにして、図2に示すような、マイクロスイッチング素子X1の開状態が達成される。開状態では、一対の固定コンタクト電極11が電気的に分離され、当該固定コンタクト電極対11間を電流が通過することは阻まれる。
図6および図7は、マイクロスイッチング素子X1の製造方法を、図2に相当する断面の変化として表す。マイクロスイッチング素子X1の製造においては、まず、図6(a)に示すように、基板S1上に各固定コンタクト電極11および各固定駆動電極12を形成する。これらの形成においては、まず、スパッタリング法により、基板S1上に例えばCrを成膜し、続いてその上に例えばAuを成膜する。Cr膜の厚さは例えば50nmであり、Au膜の厚さは例えば300nmである。また、基板S1は、絶縁性基板であり、例えば、厚さ1μmの二酸化シリコン膜により被覆された、高抵抗シリコン材料基板やガラス基板である。固定コンタクト電極11および固定駆動電極12の形成においては、次に、フォトリソ法により当該導体多層膜上に所定のレジストパターンを形成した後、当該レジストパターンをマスクとして、当該膜に対してエッチング処理を施す。このようにして、基板S1上に、図3に示すパターン形状の固定コンタクト電極11および固定駆動電極12を形成することができる。
マイクロスイッチング素子X1の製造においては、次に、図6(b)に示すように、固定コンタクト電極11および固定駆動電極12を覆うように犠牲層20’を形成する。犠牲層20’の厚さは例えば1〜3μmであり、犠牲層構成材料としては例えばシリコンや二酸化シリコンを採用することができる。当該犠牲層構成材料としては、ドープされていないものが好ましい。また、犠牲層20’を形成するための手法としては、例えばスパッタリング法を採用することができる。
次に、図6(c)に示すように、犠牲層20’上に材料膜31’を形成する。材料膜31’の厚さは例えば1.5〜3μmであり、成膜手法としては、例えばプラズマCVD法を採用することができる。成膜材料としては、犠牲層に対する後述のエッチング処理において犠牲層構成材料とはエッチング速度の異なる材料を採用する。例えば、犠牲層構成材料としてシリコンを採用する場合、当該成膜材料としては、二酸化シリコンまたは窒化シリコンを採用するのが好ましい。或は、犠牲層構成材料として二酸化シリコンを採用する場合には、成膜材料としてはシリコンを採用するのが好ましい。
次に、図6(d)に示すように、材料膜31’をパターニングして図4に示す膜体31を形成する。具体的には、フォトリソ法により材料膜31’上に所定のレジストパターンを形成した後、当該レジストパターンをマスクとして、材料膜31’に対してエッチング処理を施す。本工程では、膜体31の外郭形状とともに開口部31a,31bが形成される。
次に、犠牲層20’における、膜体31の開口部31aにて露出する箇所に対し、図7(a)に示すように凹部20'aを形成する。具体的には、フォトリソ法により膜体31上および犠牲層20’上にわたって所定のレジストパターンを形成した後、当該レジストパターンをマスクとして、犠牲層20’に対してエッチング処理を施す。エッチング処理手法としては、反応性イオンエッチング(RIE)を採用することができる。凹部20'aの深さは例えば0.5〜2.5μmである。
次に、図7(b)に示すように、膜体31上に、可動コンタクト電極32、可動駆動電極33、および配線部34を形成する。具体的には、まず、スパッタリング法により、膜体31上および犠牲層20’上にわたって例えばCrを成膜し、続いてその上に例えばAuを成膜する。Cr膜の厚さは例えば50nmであり、Au膜の厚さは例えば300nmである。次に、フォトリソ法により当該多層膜上に所定のレジストパターンを形成した後、当該レジストパターンをマスクとして、当該多層膜に対してエッチング処理を施す。このようにして、膜体31上に、図5に示すパターン形状の可動コンタクト電極32、可動駆動電極33、および配線部34を形成することができる。可動コンタクト電極32には、可動コンタクト電極32および固定コンタクト電極11の接触時における接触圧を高めるための凸部32aが形成される。また、本工程では、膜体31の開口部31bと連通する開口部32b,33aが形成される。
次に、図7(c)に示すように、犠牲層20’の一部を除去して一対の支持部20を形成する。具体的には、RIEにより当該犠牲層20’に対してドライエッチング処理を施す。エッチングガスとしては、SF6ガスを採用することができる。当該エッチング処理は、膜体31の主部31Aおよび連結部31Cの全体が基板S1から適切に離隔した後に停止する。本エッチング処理において、各端基部31Bは、支持部形成用のエッチングマスクとして機能する。具体的には、端基部31Bの幅W2は、膜体31の主部31Aの任意の縁端から当該縁端に対して最も近い開口部(開口部31b,32b,33aよりなる開口部)までの長さ、膜体31内での当該開口部の形成ピッチ、および連結部31Cの幅W3より長いので、主部31Aおよび連結部31Cが基板からリリースされても端基部31Bおよび基板S1の間には犠牲層材料が残り、支持部20が形成されるのである。本エッチング処理では、膜体31の複数の開口部31bや、その一部に連通する可動コンタクト電極32の開口部32bおよび可動駆動電極33を通って、犠牲層20’に対してエッチングガスが作用し、主部31A下の犠牲層材料は端基部31B下の犠牲層材料よりも積極的にエッチング作用を受ける。支持部20の残存形成に際してこのようなドライエッチングを採用する場合には、好ましくは、犠牲層20’したがって支持部20はシリコンよりなり、膜体31は二酸化シリコンまたは窒化シリコンよりなる。
一対の支持部20の形成においては、上述のようなドライエッチングに代えてウエットエッチングを採用してもよい。その場合、エッチング液としては、例えば、フッ酸とフッ化アンモニウムからなるバッファードフッ酸(BHF)を使用し、膜体31の主部31Aおよび連結部31Cの全体が基板S1から適切にリリースされるようにエッチング処理を施す。当該ウエットエッチングを採用する場合においても、ドライエッチングを採用する場合と同様に、主部31Aおよび連結部31Cが基板からリリースされても端基部31Bおよび基板S1の間には犠牲層材料が残り、支持部20が形成される。支持部20の残存形成に際してこのようなウエットエッチングを採用する場合には、好ましくは、犠牲層20’ないし支持部20は二酸化シリコンよりなり、膜体31はシリコンよりなる。ウエットエッチングを採用する場合、エッチング処理の後に乾燥工程を経る必要がある。製造対象の素子におけるスティッキング現象を回避するという観点からは、当該乾燥工程においては、いわゆる超臨界乾燥法を採用するのが好ましい。また、上述のようなドライエッチングを採用する場合には乾燥工程は必要なく、従ってスティッキング現象は生じ得ない。
また、犠牲層20’に対するエッチング処理に際しては、図8にて太線で示す外郭形状を有するレジストパターン21をエッチングマスクとして利用してもよい。各レジストパターン21は、膜体31の端基部31Bよりも所定寸法大きくパターン形成されたものであり、端基部31Bの周縁から所定長さ延出する周縁を有する。当該所定長さとは、犠牲層20’に対するエッチング処理の際にレジストパターン21の下方に入るアンダーカットの程度、即ちレジストパターン21の下方に形成される空隙の寸法、を考慮して設定される。端基部31Bの下方にアンダーカットが入らないようにレジストパターン21の寸法を設定する場合、当該レジストパターン21をマスクとして利用して犠牲層20’に対してエッチング処理を施すと、図9に示すように、端基部31Bと略同一寸法の支持部20を形成することができる。したがって、支持部20についての形成目的寸法が同一であれば、犠牲層20’に対するエッチング処理に際してレジストパターン21をエッチングマスクとして利用する手法を採用すると、膜体31の端基部31Bについて、より小さな寸法を設定することが可能となる。エッチング処理の後、例えば酸素プラズマを作用させることによりレジストパターン21を除去する。
以上のようにして、マイクロスイッチング素子X1を製造することができる。上述の方法においては、犠牲層20’を形成する前に一対の支持部20を基板上にパターン形成するための工程は必要なく、且つ、可動梁部用の膜体31を犠牲層20’上に形成する前に犠牲層20’をパターニングするための工程も必要ない。本方法では、一対の支持部20は、膜体31形成面を提供するという機能を終えた犠牲層20’の一部(実質的に大部分)を除去する際に、犠牲層材料に由来して基板S1および膜体31の間に残存形成される。このようにして、本方法では、一対の支持部20は効率よく形成される。加えて、本方法では、可動梁部30の両端部を補強するための部材を形成するための工程は必要なく、且つ、犠牲層20’を研磨するための工程も必要ない。本方法によると、効率よくマイクロスイッチング素子を製造することができ、従って、マイクロスイッチング素子を歩留まりよく製造することができるのである。このような方法は、マイクロスイッチング素子を安価に製造するうえで好適である。
図10〜図16は、本発明の第2の実施形態に係るマイクロスイッチング素子X2を表す。図10は、マイクロスイッチング素子X2の平面図である。図11および図12は、各々、図10の線XI−XIおよび線XII−XIIに沿った部分断面図である。図13〜図16は、各々、図11の線XIII−XIII、線XIV−XIV、線XV−XV、および線XVI−XVIに沿った部分断面を含むマイクロスイッチング素子X2の断面図である。マイクロスイッチング素子X2は、ベース部100およびキャップ部200が積層した構造を有する。
ベース部100は、例えば図13によく表れているように、基板S2と、一対の固定コンタクト電極41と、二つの固定駆動電極42と、電極パッド43A,43B,43Cと、周壁44とを有する。図13は、ベース部100の平面図に相当する。
一対の固定コンタクト電極41は、相互に離隔して基板S2上に設けられている。各固定コンタクト電極41は、主部41aおよびその一端上に設けられた凸部41bよりなり、主部41aの他端には電極パッド43Aが接続している。凸部41bは、可動コンタクト電極52および固定コンタクト電極41の接触時における接触圧を高めるためのものである。電極パッド43A上には、例えば図12によく表れているようにバンプ45Aが設けられている。図13では、各電極パッド43A〜43C上のバンプ配設箇所を破線で示す。各固定コンタクト電極41は、電極パッド43Aおよびバンプ45A、および図外の配線を介して、スイッチング対象の所定の回路に接続されている。二つの固定駆動電極42は、一対の固定コンタクト電極41を間に介して対称的に基板S2上に設けられている。各固定駆動電極42の両端には電極パッド43Bが接続しており、電極パッド43B上には、例えば図12によく表れているようにバンプ45Bが設けられている。各固定駆動電極42は、電極パッド43Bおよびバンプ45B、および図外の配線を介してグランド接続されている。また、電極パッド43C上には、例えば図11によく表れているようにバンプ45Cが設けられている。ベース部100において、電極パッド43A〜43Cおよび周壁44は、基板S2の表面から同一の高さを有する。
キャップ部200は、例えば図10および図14〜図16によく表れているように、基板S3と、可動梁部50と、一対の支持スペーサ60と、二つの内シール壁70と、周壁80とを有する。図10においては基板S3を省略する。また、図14は、キャップ部200の平面図に略相当する。
可動梁部50は、膜体51と、可動コンタクト電極52と、二つの可動駆動電極53と、二つの配線部54とからなる。図14には、可動コンタクト電極52、二つの可動駆動電極53、および二つの配線部54のパターン形状が表れており、図15には、膜体51のパターン形状が表れている。可動梁部50は、一対の支持スペーサ60を介して基板S3に接続し、当該一対の支持スペーサ60を架橋し且つベース部100における一対の電極パッド43Cを架橋するように配されている。図16には、一対の支持スペーサ60のパターン形状が表れている。
可動梁部50の膜体51は、例えば図15によく表れているように、主部51Aと、一対の端基部51Bと、これらを連結する4本の連結部51Cとからなる。主部51Aは複数の開口部51aを有する。各開口部51aの開口形状は、直径が例えば5μmの円形である。主部51Aについて、図15に示す長さL1’は例えば150〜300μmであり、幅W1’は例えば100〜250μmである。膜体51ないし可動梁部50について不当な反りを抑制するには、膜体51の厚さは好ましくは1.5μm以上であり、W1’/L1’の値は好ましくは0.4以上である。各端基部51Bは支持部スペーサ60と直接的に接合する部位であり、各端基部51Bについて、図15に示す幅W2’は例えば100〜200μmである。各連結部51Cについて、図15に示す幅W3’は例えば5〜30μmである。細い連結部51Cを介して端基部51Bに主部51Aが連結される構造に起因して、可動梁部50において良好な弾性変形が得られることとなる。また、膜体51において、幅W2’は、主部51Aの任意の縁端から当該縁端に対して最も近い開口部51aまでの長さ(例えば10〜30μm)、主部51A内での開口部51aの形成ピッチ(例えば10〜30μm)、および幅W3’より長い。
可動コンタクト電極52は、膜体51上において一対の固定コンタクト電極41に対応する箇所に設けられている。また、可動コンタクト電極52は、膜体51の一部の開口部51aに連通する開口部52aを有する。
各可動駆動電極53は、膜体51上において固定駆動電極42に対応する箇所に設けられている。各可動駆動電極53は、膜体51の一部の開口部51aに連通する開口部53aを有する。
各配線部54は、膜体51の端基部51Bおよび連結部51Cに対応して略全体が設けられて可動駆動電極53に連続し、且つ、電極パッド43Cに接合されている。両配線部54は、電極パッド43C、バンプ45C、および図外の配線を介して、電気的に接続されている。したがって、両可動駆動電極53も電気的に接続されている。
内シール壁70は、例えば図12によく表れているように、多層構造を有して基板S3および電極パッド43A,43Bの間にわたって延び、バンプ45A,45Bを受容するためのキャップ部200の各ホールHの一部を規定する。また、キャップ部200は、電極パッド43Cに対応する箇所にて基板S3、支持スペーサ60、端基部51B、および配線部54を貫通するホールHを有する。バンプ45A〜45Cは、対応するホールHから突出している。また、キャップ部200の周壁80およびベース部100の周壁44は、図11に表れているように接合して周シール壁90を構成する。基板S2,S3と、周シール壁90と、内シール壁70と、バンプ45C収容用のホールHの一部を規定する部位(支持スペーサ60、膜体51の端基部51B、配線部54、電極パッド43C)とは、素子内と素子外を隔絶している。すなわち、これらにより、可動コンタクト電極52と、一対の固定コンタクト電極41と、二つの可動駆動電極53と、二つの固定駆動電極42とは、素子内に封止されている。
このような構成のマイクロスイッチング素子X2において、バンプ45C、配線部54を介して両可動駆動電極53に所定の電位を付与すると、二組の可動駆動電極53および固定駆動電極42の間には静電引力が発生する。その結果、可動梁部50は、可動コンタクト電極52が両固定コンタクト電極41の両凸部41bに当接する位置まで弾性変形する。このようにして、マイクロスイッチング素子X2の閉状態が達成される。この閉状態においては、可動コンタクト電極52により二つの固定コンタクト電極41が電気的に橋渡しされ、電流が当該固定コンタクト電極対41間を通過することが許容される。
閉状態にあるマイクロスイッチング素子X2において、可動駆動電極53および固定駆動電極42間に作用する静電引力を消滅させると、可動梁部50はその自然状態に復帰し、可動コンタクト電極52は両固定コンタクト電極41ないし両凸部41bから離隔する。このようにして、図11に示すような、マイクロスイッチング素子X2の開状態が達成される。開状態では、一対の固定コンタクト電極41が電気的に分離され、電流が当該固定コンタクト電極対41間を通過することは阻まれる。
図17〜図19は、マイクロスイッチング素子X2の製造方法を、図11に相当する断面の変化として表す。図17は、ベース部100の作製過程を表すものであり、図18は、キャップ部200の作製過程を表すものである。また、図19は、ベース部100およびキャップ部200の接合過程以降を表すものである。
マイクロスイッチング素子X2のベース部100の作製においては、まず、図17(a)に示すように、固定コンタクト電極41の主部41aおよび固定駆動電極42を基板S2上に形成する。これらの形成においては、まず、スパッタリング法により、基板S2上に例えばCrを成膜し、続いてその上に例えばAuを成膜する。Cr膜の厚さは例えば50nmであり、Au膜の厚さは例えば1μmである。また、基板S2は、例えば、高抵抗シリコン材料よりなる絶縁性基板である。主部41aおよび固定駆動電極42の形成においては、次に、フォトリソ法により当該多層導電膜上に所定のレジストパターンを形成した後、当該レジストパターンをマスクとして、当該多層膜に対してエッチング処理を施す。このようにして、基板S2上に、図13に示すパターン形状の主部41aおよび固定駆動電極42を形成することができる。
次に、図17(b)に示すように、固定コンタクト電極41の主部41aの上に凸部41bを形成する。具体的には、まず、スパッタリング法により、主部41a上に更に例えばCrを成膜し、その上に例えばAuを成膜する。Cr膜の厚さは例えば50nmであり、Au膜の厚さは例えば500nmである。次に、フォトリソ法により当該Au膜上に所定のレジストパターンを形成した後、当該レジストパターンをマスクとして、当該Au膜に対してエッチング処理を施す。このようにして、主部41a上に凸部41bを形成することができる。
次に、電極パッド43Cおよび周壁44について図17(c)に示すように、基板S2に電極パッド43A〜43Cおよび周壁44を形成する。具体的には、スパッタリング法により、基板S2上に例えばCrを成膜し、その上に例えばAuを成膜する。Cr膜の厚さは例えば50nmであり、Au膜の厚さは例えば2.6μmである。次に、フォトリソ法により当該Au膜上に所定のレジストパターンを形成した後、当該レジストパターンをマスクとして、当該Au膜に対してエッチング処理を施す。このようにして、基板S2上に、図13に示すような電極パッド43A〜43Cおよび周壁44を形成することができる。この後、固定駆動電極42には絶縁膜(図示略)を被覆する。マイクロスイッチング素子X2の動作時において、固定駆動電極42と可動駆動電極53との導通を防止するためである。以上のようにして、ベース部100を作製することができる。
マイクロスイッチング素子X2のキャップ部200の作製においては、まず、図18(a)に示すように、基板S3上に犠牲層60’を形成する。犠牲層60’の厚さは例えば1〜3μmであり、犠牲層構成材料としては例えばシリコンや二酸化シリコンを採用することができる。当該犠牲層構成材料としては、ドープされていないものが好ましい。犠牲層60’を形成するための手法としては、例えばスパッタリング法を採用することができる。
次に、図18(b)に示すように、犠牲層60’上に材料膜51’を形成する。材料膜51’の厚さは例えば2μmであり、成膜手法としては、例えばプラズマCVD法を採用することができる。成膜材料としては、犠牲層60’に対する後述のエッチング処理において犠牲層構成材料とはエッチング速度の異なる材料を採用する。例えば、犠牲層構成材料としてシリコンを採用する場合、当該成膜材料としては、二酸化シリコンまたは窒化シリコンを採用することができる。或は、犠牲層構成材料として二酸化シリコンを採用する場合には、成膜材料としてはシリコンを採用することができる。
次に、図18(c)に示すように、材料膜51’をパターニングして膜体51、膜パターン81を形成する。このとき、開口後の形状で図15に示す壁パターン71もパターン形成する。具体的には、マイクロスイッチング素子X1の膜体31の形成に関して上述したのと同様である。本工程では、膜体51の外郭形状とともに開口部51aが形成される。また、壁パターン71は、上述の内シール壁70の一部を構成するものであり、壁パターン81は、上述の周壁80の一部を構成するものである。
次に、図18(d)に示すように、膜体51上に、可動コンタクト電極52、可動駆動電極53、および配線部54を形成し、且つ、壁パターン81上に壁パターン82を形成する。このとき、開口後の形状で図14に示す壁パターン72もパターン形成する。具体的には、マイクロスイッチング素子X1の膜体31上への可動コンタクト電極32、可動駆動電極33、および配線部34の形成手法に関して上述したのと同様である。また、壁パターン72は、上述の内シール壁70の一部を構成するものであり、壁パターン82は、上述の周壁80の一部を構成するものである。
次に、図18(e)に示すように、ドライエッチングまたはウエットエッチングにより、犠牲層60’の一部を除去して一対の支持スペーサ60および壁パターン83を残存形成する。このとき、開口後の形状で図16に示す壁パターン73も残存形成する。具体的には、マイクロスイッチング素子X1の一対の支持部20の形成手法に関して上述したのと同様である。また、壁パターン73は、上述の内シール壁70の一部を構成するものであり、壁パターン83は、上述の周壁80の一部を構成するものである。以上のようにして、基板S3と、可動梁部50と、一対の支持スペーサ60と、内シール壁70(壁パターン71,72,73)と、周壁80(壁パターン81,82,83)とを有するキャップ部200を作製することができる。
マイクロスイッチング素子X2の製造においては、上述のようにして作製したベース部100およびキャップ部200を図19(a)および図19(b)に示すように接合する。具体的には、図13に表れているベース部100の周壁44および電極パッド43A〜43Cと、図14に表れているキャップ部200の周壁80の壁パターン82、内シール壁70の壁パターン72、および配線部54とを接合する。当該接合部の界面が全てAuよりなる場合、例えば300℃程度に加熱しながら加圧することでベース部100およびキャップ部200を適切に接合することができる。当該Au接合によると、固定コンタクト電極41や可動コンタクト電極52に吸着などして当該コンタクト電極41,52を劣化させてしまうようなガスが接合界面から発生しない。したがって、当該Au接合は、素子の長寿命の観点より有利である。
次に、ウエットエッチングにより基板S3を例えば100μmの厚さとなるまで薄くした後、図19(c)に示すように、キャップ部200に対してホールHを形成する。ウエットエッチングにおけるエッチング液としてはアルカリ溶液を使用することができる。ホール形成手法としては、例えばRIEを採用することができる。この後、バンプ45Cについて図19(d)に示すように、バンプ45A〜45Cを対応するホールH内に形成する。
以上のようにして、マイクロスイッチング素子X2を製造することができる。上述の方法においては、犠牲層60’を形成する前に一対の支持スペーサ60を基板上にパターン形成するための工程は必要なく、且つ、可動梁部用の膜体51を犠牲層60’上に形成する前に犠牲層60’をパターニングするための工程も必要ない。本方法では、一対の支持スペーサ60は、膜体51形成面を提供するという機能を終えた犠牲層60’の一部(実質的に大部分)を除去する際に、犠牲層材料に由来して基板S3および膜体51の間に残存形成される。このようにして、本方法では、一対の支持スペーサ60は効率よく形成される。加えて、本方法では、可動梁部50の両端部を補強するための部材を形成するための工程は必要なく、且つ、犠牲層60’を研磨するための工程も必要ない。本方法によると、効率よくマイクロスイッチング素子を製造することができ、従って、マイクロスイッチング素子を歩留まりよく製造することができるのである。このような方法は、マイクロスイッチング素子を安価に製造するうえで好適である。
加えて、本方法は、SOI基板を用いる必要がないので安価である。本方法では、マイクロスイッチング素子X2の製造過程において効率よくウエハーレベルパッケージが実現されている。したがって、本方法は、素子固片を得るためのダイシング工程やその他の工程におけるハンドリング時に可動梁部の破損を抑制するうえで好適である。
本発明の第1の実施形態に係るマイクロスイッチング素子の部分平面図である。 図1の線II−IIに沿った断面図である。 固定コンタクト電極および固定駆動電極のパターン形状を表す。 膜体のパターン形状を表す。 可動コンタクト電極、可動駆動電極、および配線部のパターン形状を表す。 図1のマイクロスイッチング素子の製造方法における一部の工程を表す。 図6の後に続く工程を表す。 マイクロスイッチング素子製造方法の一部の代替工程を表す。 図8に示す代替工程を経た場合のマイクロスイッチング素子の一部の構造を表す。図1の線II−IIに沿った断面図に相当する。 本発明の第2の実施形態に係るマイクロスイッチング素子の一部省略平面図である。 図10の線XI−XIに沿った部分断面図である。 図10の線XII−XIIに沿った部分断面図である。 図11の線XIII−XIIIに沿った部分断面を含む、図10のマイクロスイッチング素子の断面図である。 図11の線XIV−XIVに沿った部分断面を含む、図10のマイクロスイッチング素子の断面図である。 図11の線XV−XVに沿った部分断面を含む、図10のマイクロスイッチング素子の断面図である。 図11の線XVI−XVIに沿った部分断面を含む、図10のマイクロスイッチング素子の断面図である。 図10のマイクロスイッチング素子の製造方法における一部の工程(ベース部の作製工程)を表す。 図10のマイクロスイッチング素子の製造方法における他の一部の工程(キャップ部の作製工程)を表す。 図17および図18の後に続く工程を表す。 MEMS技術を利用して得られた従来のマイクロスイッチング素子の部分平面図である。 図20の線XXI‐XXIに沿った断面図である。 図20のマイクロスイッチング素子の製造方法における一部の工程を表す。 図22の後に続く工程を表す。 MEMS技術を利用して得られた従来の他のマイクロスイッチング素子の部分平面図である。 図24の線XXV‐XXVに沿った断面図である。 図24のスイッチング素子の製造方法における一部の工程を表す。 図26の後に続く工程を表す。
符号の説明
X1,X2,X3,X4 マイクロスイッチング素子
S1,S2,S3 基板
11,41 固定コンタクト電極
12,42 固定駆動電極
20 支持部
20’,60’ 犠牲層
30,50 可動梁部
31,51 膜体
32,52 可動コンタクト電極
33,53 可動駆動電極
34,54 配線部
43A,43B,43C 電極パッド
45A,45B,45C バンプ
60 支持スペーサ
70 内シール壁
90 周シール壁

Claims (6)

  1. 基板と、
    相互に離隔して前記基板に固定された一対の支持部と、
    前記一対の支持部を架橋する膜体、並びに、当該膜体上に配された可動コンタクト電極および可動駆動電極、を有する可動梁部と、
    前記可動コンタクト電極に対向する一対の固定コンタクト電極と、
    前記可動駆動電極と協働して静電気力を発生させるための固定駆動電極と、を備えるマイクロスイッチング素子を製造するための方法であって、
    基板上に犠牲層を形成するための犠牲層形成工程と、
    前記犠牲層上に膜体を形成するための膜体形成工程と、
    前記膜体上の可動コンタクト電極および可動駆動電極を形成するための工程と、
    相互に離隔して前記基板および前記膜体の間に介在する一対の支持部が残存形成されるように、前記犠牲層に対して前記膜体を介してエッチング処理を施すための支持部形成工程と、
    固定駆動電極および一対の固定コンタクト電極を追加基板上に形成するための工程と、
    前記追加基板上に複数の電極パッドを形成するための工程と、
    前記可動コンタクト電極と前記一対の固定コンタクト電極とが対向し、且つ、前記可動駆動電極と前記固定駆動電極とが対向するように、前記基板および前記追加基板を少なくとも一つの接合壁を介して接合するための工程と、
    前記基板、前記一対の支持部、および前記可動梁部よりなる積層の構造を含む構造体において、前記積層の方向に当該構造体を貫通する複数の貫通孔を、前記追加基板上の前記複数の電極パッドに対応した位置に形成するための工程と、
    各貫通孔における前記電極パッド上にバンプを形成するための工程と、を含み、
    前記支持部形成工程では、前記基板と前記膜体の間に介在する前記犠牲層の一部にアンダーカットが入るように当該犠牲層に対してエッチング処理を施して、当該犠牲層において前記一対の支持部を残存形成し、
    前記基板、前記追加基板、および前記接合壁は、前記可動コンタクト電極、前記一対の固定コンタクト電極、前記可動駆動電極、および前記固定駆動電極を素子外部から隔絶し、
    前記複数の電極パッドは、前記可動駆動電極と電気的に接続された電極パッド、前記固定コンタクト電極と電気的に接続された電極パッド、および、前記固定駆動電極と電気的に接続された電極パッドを含み、
    各貫通孔における前記追加基板側の開口は前記電極パッドによって閉塞されている、マイクロスイッチング素子製造方法。
  2. 前記犠牲層はシリコンよりなり、前記膜体は二酸化シリコンまたは窒化シリコンよりなる、請求項1に記載のマイクロスイッチング素子製造方法。
  3. 前記犠牲層は二酸化シリコンよりなり、前記膜体はシリコンよりなる、請求項1に記載のマイクロスイッチング素子製造方法。
  4. 前記膜体の厚さは1.5μm以上である、請求項1から3のいずれか一つに記載のマイクロスイッチング素子製造方法。
  5. 第1基板およびこれに対向する第2基板と、
    相互に離隔して前記第1基板に固定された一対の支持部と、
    前記一対の支持部を架橋する膜体、並びに、当該膜体上に配された可動コンタクト電極および可動駆動電極を有し、前記第1基板および前記第2基板の間に位置する可動梁部と、
    前記第2基板上に設けられて前記可動コンタクト電極に対向する一対の固定コンタクト電極と、
    前記可動駆動電極と協働して静電気力を発生させるための、前記第2基板上に設けられた固定駆動電極と、
    前記可動駆動電極と電気的に接続された電極パッド、前記固定コンタクト電極と電気的に接続された電極パッド、および、前記固定駆動電極と電気的に接続された電極パッドを含む、前記第2基板上に設けられた複数の電極パッドと、
    前記第1基板および前記第2基板の間に介在する接合壁と、を備え、
    前記第1基板、前記第2基板、および前記接合壁は、前記可動コンタクト電極、前記一対の固定コンタクト電極、前記可動駆動電極、および前記固定駆動電極を素子外部から隔絶すし、
    前記第1基板、前記一対の支持部、および前記可動梁部よりなる積層の構造を含む構造体は、前記積層の方向に当該構造体を貫通する複数の貫通孔を有し、当該複数の貫通孔は、前記第2基板上の前記複数の電極パッドに対応した位置に設けられており、各貫通孔における前記第2基板側の開口は前記電極パッドによって閉塞されており、各貫通孔における前記電極パッド上にバンプが設けられている、マイクロスイッチング素子。
  6. 前記一対の支持部は、前記第1基板および前記可動梁部の間に一旦介在する犠牲層の一部にアンダーカットが入るように当該犠牲層に対してエッチング処理を施して、当該犠牲層において残存形成されたものである、請求項5に記載のマイクロスイッチング素子。
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