JP4586642B2 - 可動素子、ならびにその可動素子を内蔵する半導体デバイス、モジュールおよび電子機器 - Google Patents
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Description
本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems；マイクロマシン）の要素技術を応用したスイッチング素子や容量素子などの可動素子、ならびにその可動素子を内蔵する半導体デバイス、モジュールおよび電子機器に関する。
近年の集積化技術の向上に伴い、電子機器の小型・軽量化、低電圧動作・低消費電力化、高周波動作化が急速に進んでいる。特に、携帯電話などの移動通信端末装置の技術分野では、上記の要求が厳しい上に、高機能化も求められており、これらの対立する課題を解決する技術の一つとして、ＭＥＭＳが注目されている。このＭＥＭＳは、シリコンプロセス技術により、マイクロな機械的要素と電子回路要素とを融合したシステムであり、日本では主にマイクロマシンと称されるものである。ＭＥＭＳ技術は、その精密加工性などの優れた特徴から、高機能化に対応しつつ、小型で低価格なＳｏＣ（System on a Chip) を実現することができる。
そのため、移動通信端末装置の技術分野では、このＭＥＭＳ技術を利用した様々な半導体素子、例えば、非特許文献１（熱スイッチ）、非特許文献２（熱スイッチと静電スイッチ）、非特許文献３（電磁スイッチと静電スイッチ）、特許文献１（電磁スイッチ），特許文献２（静電スイッチ），特許文献３（圧電スイッチ）、にそれぞれ記載されたスイッチング素子などが開発されている。
松下電工技報 ２００１年５月号 「シリコンバイメタルを使った熱駆動型マイクロリレー」
ＲＦ ＭＥＭＳ ａｎｄ Ｓｗｉｔｃｈｅｓ ｆｏｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ：４ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ＬＥＴＩ，２６Ｊｕｎ２００２
ＭＥＭＳ２００５ 予稿集ｐ３２−３５
米国特許第０１９６１１０号明細書等
米国特許第００９８６１３号明細書等
特開２００４−１５８７６９号公報
しかしながら、上記の非特許文献１および特許文献１ないし３のスイッチング素子においても、消費電力が例えば数百ｍＷ程度まで高くなるか、駆動電圧が例えば２０Ｖを超える程に大きくなってしまうため、上記のスイッチング素子を、例えば駆動電圧が数Ｖレベル，消費電力が数ｍＷレベルの低電圧・低消費電力系の素子と一体的に形成することが事実上不可能であるという問題がある。また、上記の非特許文献２では、可動子をストロークさせるための「たわみ」を可動子に持たせるために新たな製造プロセスを導入する必要があるため、製造プロセスが複雑になるという問題がある。また、上記の非特許文献３では、スイッチング素子に隣接して磁場を供給する素子を設ける必要があるため、基板上のレイアウトの自由度が制限され、これにより、パッケージサイズの縮小化が妨げられるという問題がある。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、製造プロセスが容易で、かつパッケージサイズの縮小化を妨げることがなく、しかも低電圧・低消費電力系の素子と一体的に形成することが可能な程度に低電圧・低消費電力の可動素子、ならびにその可動素子を内蔵する半導体デバイス、モジュールおよび電子機器を提供することにある。
本発明の可動素子は、半導体基板上に、信号を伝送するための信号線路と、信号線路を機械的に継断するための継断手段と、継断手段を切り替えるための切替手段と、継断手段の切り替え後の状態を保持するための保持手段とを備えたものである。切替手段は可動子を、継断手段および保持手段は互いに対向配置された一組の可動子および固定子をそれぞれ有し、保持手段の可動子は、弾性部を介して継断手段および切替手段のそれぞれの可動子と接続されている。
本発明の半導体デバイス、モジュールおよび電子機器は、上記の可動素子を内蔵したものである。
本発明の可動素子、半導体デバイス、モジュールおよび電子機器では、継断手段の継断と、継断手段の切り替え後の状態の保持とが、弾性部を介した切替手段と保持手段との協調動作（２元駆動）によって行われる。弾性部は、通常の製造プロセスを用いて形成することの可能なものであればよく、例えば、ミアンダバネなどにより構成される。このような弾性部を介在させることにより、継断手段を容易に動作させることが可能となるので、切替手段および保持手段を形成するに際して「たわみ」を持たせるなどの複雑な製造プロセスを用いる必要はない。なお、これら切替手段および保持手段は、電流の供給を受けて動作するものであり、外部から電磁場の供給を受けて動作するものではない。したがって、可動素子を駆動するための駆動手段を可動素子に隣接して配置する必要はない。
上記切替手段は、例えば、熱アクチュエータまたは圧電アクチュエータより構成されており、上記保持手段は、例えば、静電アクチュエータにより構成されている。ここで、熱アクチュエータは、例えば、互いに異なる熱膨張係数を有する材料を複数積層させてなる可動子に熱エネルギーが供給されることにより生じる歪みを利用して可動子を駆動させるものである。圧電アクチュエータは、例えば、圧電体を含んで構成された可動子に電圧が印加されることにより生じる歪み（圧電効果）を利用して可動子を駆動させるものである。これらのアクチュエータは、低電圧で可動子を大きくストロークさせることが可能である。静電アクチュエータは、例えば、導電性の可動子と固定子により構成されたキャパシタの誘導電荷により生ずる静電力を利用して可動子を駆動させるものであり、電力をほとんど消費することなく可動子をストロークさせたり保持したりすることが可能である。
本発明の可動素子、半導体デバイス、モジュールおよび電子機器によれば、継断手段の継断と、継断手段の切り替え後の状態の保持とが、弾性部を介した切替手段と保持手段との協調動作によって行われるようにしたので、通常の製造プロセスを用いて可動素子を形成することができる。また、可動素子を駆動するための駆動手段を可動素子に隣接して配置する必要がないので、基板上のレイアウトの自由度が制限されることはない。また、目的・用途に応じて最適な回路構成を選択することができる。例えば、信号線路の継断を大きなストロークで行いたい場合には、熱アクチュエータまたは圧電アクチュエータを切替手段として選択し、一方、継断手段の切り替え後の状態を長時間保持したい場合には、静電キャパシタを保持手段として選択することも可能である。このように、目的・用途に応じて最適な回路構成を選択することにより、低電圧・低消費電力系の素子と一体的に形成することが可能な程度の低電圧化・低消費電力化を両立させることができる。したがって、製造プロセスが容易で、かつパッケージサイズの縮小化を妨げることがなく、しかも低電圧・低消費電力系の素子と一体的に形成することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
まず、本発明の一実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係るスイッチング素子（可動素子）の構成要素を機能ブロックごとに表し、図２は、このスイッチング素子の断面構成の一例を表すものであり、図３は、このスイッチング素子の平面構成の一例を表すものである。このスイッチング素子は、一の素子（図示せず）から他の素子（図示せず）へ信号を伝送する伝送路中に実装される微小構造物（いわゆるマイクロマシン）であり、好適には他の素子と同一のパッケージ内に形成されるものであり、より好適にはＳｉＰ(System in Package) で同梱実装されたり、ＳｏＣの一部として混載されるものである。このスイッチング素子は、半導体基板１上にスイッチング構造体１０を備えている。
まず、本発明の一実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係るスイッチング素子（可動素子）の構成要素を機能ブロックごとに表し、図２は、このスイッチング素子の断面構成の一例を表すものであり、図３は、このスイッチング素子の平面構成の一例を表すものである。このスイッチング素子は、一の素子（図示せず）から他の素子（図示せず）へ信号を伝送する伝送路中に実装される微小構造物（いわゆるマイクロマシン）であり、好適には他の素子と同一のパッケージ内に形成されるものであり、より好適にはＳｉＰ(System in Package) で同梱実装されたり、ＳｏＣの一部として混載されるものである。このスイッチング素子は、半導体基板１上にスイッチング構造体１０を備えている。
半導体基板１は、主にスイッチング素子を構成する要素を支持するものであり、例えば、シリコン（Ｓｉ）、シリコン・カーバイト（ＳｉＣ）、シリコン・ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）およびシリコン・ゲルマニウム・カーボン（ＳｉＧｅＣ）などのＳｉ系基板や、ガラス、樹脂およびプラスチックなどの非Ｓｉ系基板により構成されている。この半導体基板１の表面には、絶縁層２が設けられている。この絶縁層２は、スイッチング構造体１０を基板１０から電気的に分離するものであり、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）または窒化ケイ素（ＳｉＮ）などの絶縁性材料により構成されている。
スイッチング構造体１０は、表面マイクロマシンニング技術を使用して形成された複数の微小構造物が配列されることにより構成された集合構造体である。このスイッチング構造体１０は、信号線路１１、継断部１２（継断手段）、切替部１３（切替手段）、保持部１４（保持手段）、弾性部１５、支持部１６および素子駆動部１７（駆動回路）（図１参照）を備えている。信号線路１１は、図２のＹ軸方向に延在すると共に、継断部１２に接続されている。継断部１２、切替部１３、保持部１４および支持部１６は、それぞれ互いに弾性部１５を介して接続されている。ここで、継断部１２、切替部１３、保持部１４および支持部１６は、図３に示したように、支持部１６の間に切替部１３を、切替部１３の間に保持部１４を、保持部１４の間に継断部１２をそれぞれ配置すると共に、これらをＸ軸方向に沿って配列するように構成されている。
継断部１２は所定の空間Ｇを構成する一組の固定子１２Ａおよび可動子１２Ｂを、切替部１３は所定の空間Ｇを構成する可動子１３Ｂを、保持部１４は所定の空間Ｇを構成する一組の固定子１４Ａおよび可動子１４Ｂをそれぞれ有している。このように、スイッチング構造体１０は、Ｘ軸方向に両持梁型の断面構造を有している。
継断部１２の固定子１２Ａおよび可動子１２Ｂは、例えば、導電性材料または誘電体材料からなる平板により構成されている。
切替部１３の可動子１３Ｂは、Ｘ軸方向に延在する第１膨張層１３Ｂ−１および第２膨張層１３Ｂ−２を支持部１６上にこの順に積層した構造を有している。この第１膨張層１３Ｂ−１の熱膨張率は、第２膨張層１３Ｂ−２のそれよりも小さくなっていることから、切替部１３に対して熱が加えられると、第１膨張層１３Ｂ−１の方が第２膨張層１３Ｂ−２よりも延在方向に長く伸びて、弾性部１５の接続された一端が絶縁層２に近づく方向に変位するようになっている。
保持部１４の固定子１４Ａは、導電層１４Ａ−１と高抵抗層１４Ａ−２とをこの順に積層した構造を有しており、導電層１４Ａ−１は導電性材料により、高抵抗層１４Ａ−２は高抵抗材料により、保持部１４の可動子１４Ｂは導電性材料によりそれぞれ構成されている。ここで、上記導電性材料は、例えばアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）などのＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor)プロセスと整合する材料であることが好ましい。なお、上記の高抵抗材料は、誘電体材料および絶縁材料を含む概念である。また、上記の高抵抗層１４Ａ−２を備える代わりに、または、上記の高抵抗層１４Ａ−２と共に、固定子１４Ａにおける空間Ｇ側の表面に高抵抗層を備えるようにしてもよい。固定子１４Ａおよび可動子１４Ｂが接触した際の誘導電荷の消失を防止することができるからである。
このように、切替部１３の可動子１３Ｂが、保持部１４の可動子１４Ｂと弾性部１５を介して接続されると共に、その弾性部１５を介して継断部１２の可動子１２Ｂと接続されていることから、可動子１３Ｂを駆動させると、保持部１４が駆動されていなくても可動子１４Ｂが変位して保持部１４の間隙が狭められると共に、可動子１２Ｂも変位して継断部１２の間隙が狭められようになっている。
ここで、継断部１２の固定子１２Ａの厚さをｔ１、保持部１４の固定子１４Ａの厚さをｔ２、オフ状態（切替部１３および保持部１４に対して電力が印加されていない状態）における、継断部１２の固定子１２Ａと可動子１２Ｂとの間隙の大きさをｇ１、保持部１４の固定子１４Ａと可動子１４Ｂとの間隙の大きさをｇ２とすると、以下の式（１）および式（２）をそれぞれ満たすことが好ましい。
ｔ１≧ｔ２…（１）
ｇ１≦ｇ２…（２）
ｇ１≦ｇ２…（２）
この切替部１３は、上記のような構成により、互いに異なる熱膨張係数を有する第１膨張層１３Ｂ−１および第２膨張層１３Ｂ−２を積層させてなる可動子に熱エネルギーが供給されることにより生じる歪みを利用して可動子を駆動させる熱アクチュエータとしての機能を有する。また、保持部１４は、上記のような構成により、導電性の固定子１４Ａと可動子１４Ｂにより構成されたキャパシタの誘導電荷により生ずる静電力を利用して可動子１４Ｂを駆動させる静電アクチュエータとしての機能を有する。
熱アクチュエータは、電流制御の駆動方式であり、電圧消費が数Ｖ程度、電流消費が数十ｍＡ程度で動作する環境下では、静電アクチュエータよりも可動子１３Ｂを大きくストロークさせることができるものである。一方、静電アクチュエータは、電圧制御の駆動方式であり、電力をほとんど消費することなく可動子１４Ｂをストロークさせたり保持したりすることができるものであるが、電圧消費が数Ｖ程度、電流消費が数十ｍＡ程度で動作する環境下では、熱アクチュエータよりも小さい範囲でしか可動子１４Ｂをストロークさせることができない。
従って、切替部１３の可動子１３Ｂを駆動させて保持部１４の間隙を狭めたときの間隙が静電力により可動子１４Ｂを変位させることのできる範囲内となるように保持部１４の間隙ｇ２を設定することが必要となる。
信号線路１１は、継断部１２の固定子１２Ａと直接接続されており、導電性材料により構成されている。この信号線路１１は、継断部１２がオフ状態（切替部１３および保持部１４に対して電力が印加されていない状態、図２参照）の場合には、可動子１２Ｂと電気的に絶縁されている。一方、継断部１２がオン状態（切替部１３および保持部１４に対して電力が印加されている状態）の場合には、固定子１２Ａを介して可動子１２Ｂと電気的に導通している。
すなわち、継断部１２は、信号線路１１を機械的に継断することができるようになっている。ここで、「機械的に継断する」とは、機械的なスイッチがオン／オフ動作することを意味している。ここで、オン動作は、切替部１３および保持部１４に対して電力を印加することにより、継断部１２の固定子１２Ａおよび可動子１２Ｂを接触させる動作を意味している。オフ動作は、切替部１３および保持部１４に対して電力の供給を停止することにより、継断部１２の固定子１２Ａおよび可動子１２Ｂの接触を開放させる動作を意味している。また、機械的なスイッチの接点の方式としては、例えばシリーズ方式（図４（Ａ））やシャント方式（図４（Ｂ））が挙げられるが、本実施の形態では何れの方式であってもよい。なお、図４（Ａ）は、シリーズ方式における、オン状態（一の素子からの信号が継断部１２を介して他の素子へ伝送されている状態）の断面構成を、図４（Ｂ）は、シャント方式における、オン状態（一の素子からの信号が継断部１２を介して他の素子へ伝送されていない状態）の断面構成を表したものである。
弾性部１５は、例えば単結晶シリコンまたはポリシリコンにより構成されている。この弾性部１５は、例えば、図８に示したように、平面上を蛇行した形状を有するミアンダ(meander) ばねであり、このミアンダばねには、蛇行路の折り返し付近に突起が設けられている。この突起はバネの縮む方向に突き出ているため、バネが縮む際に隣接する蛇行路と接触し、バネが縮むのを阻害するようになっている。そのため、このミアンダばねは、伸びるときのばね定数が縮むときのばね定数より小さくなるようになっている。これにより、切替部１３および保持部１４の応答速度を向上させることができる。このミアンダばねのばね定数は、継断部１２と切替部１３との間や、切替部１３と保持部１４との間に挟まれたそれぞれの部位での役割に応じて調節されていることが望ましい。例えば、切替部１３と保持部１４との間に配置されたミアンダばねのばね定数は、他のミアンダばねのそれよりも小さくなるように調節されていることが望ましい。切替部１３の可動子１３Ｂを固定子１３Ａの表面まで確実にストロークさせる必要があるからである。
支持部１６は、例えば単結晶シリコンまたはポリシリコンにより構成されている。この支持部１６は、継断部１２、切替部１３および保持部１４の可動子１２Ｂ，１３Ｂ，１４Ｂからなる梁をその両端で支持するようになっている。
素子駆動部１７は、切替部１３および保持部１４に対してオン動作またはオフ動作をさせるためのものである。
このような構成を有するスイッチング素子は、例えば次のようにして製造することができる。図６（Ａ）〜（Ｃ）および図７（Ａ）〜（Ｃ）は、スイッチング素子の製造工程を説明するためのものである。
スイッチング素子を製造する際には、まず、図６（Ａ）に示したように、Ｓｉからなる半導体基板１上に、例えば減圧ＣＶＤ（Chemical Vapor Depositon）法を使用して、ＳｉＮなどの絶縁性材料を成膜することにより絶縁層２を形成する。続いて、例えば減圧ＣＶＤ法を使用して、絶縁層２上に、Ｃｕなどの導電性材料およびＳｉＮなどの高抵抗材料をこの順に成膜することにより、前躯体１４Ｄ，１４ｄを形成して積層させる。
次に、フォトリソグラフィ処理およびドライエッチング処理を使用して前躯体１４Ｄ，１４ｄをパターニングすることにより、図６（Ｂ）に示したように、導電層１４Ａ−１および高抵抗層１４Ａ−２をこの順に積層した構造からなる固定子１４Ａを形成する。なお、以下では、上記したフォトリソグラフィ処理およびドライエッチング処理を使用したパターニング処理を、単に「パターニング」と称する。
次に、例えば減圧ＣＶＤ法を使用して、絶縁層２および固定子１４Ａ上に、Ｃｕなどの導電性材料を成膜したのち、パターニングすることにより、図６（Ｃ）に示したように、固定子１２Ａを形成する。
次に、例えば減圧ＣＶＤ法を使用して、後工程において空間Ｇが形成されることとなる領域を埋め込むように、例えばＬＰ−ＴＥＯＳ（Low Pressure TEtraethyl ORthosilicate)を成膜することにより犠牲層Ｔ１を形成する。続いて、パターニングにより、支持部１６を形成することとなる領域に孔を形成したのち、例えば減圧ＣＶＤ法を使用して、その孔に例えばポリシリコンなどの絶縁性材料を埋め込むことにより支持部１６を形成する。その後、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing:化学的機械的研磨）により、犠牲層Ｔ１および支持部１６の表面全体を平坦化する。
続いて、例えば減圧ＣＶＤ法を使用して犠牲層Ｔ１および支持部１６上に、Ｃｕなどの導電性材料を成膜したのち、パターニングすることにより、図７（Ａ）に示したように、犠牲層Ｔ１の表面のうち固定子１２Ａと対向する領域に可動子１２Ｂを、固定子１４Ａと対向する領域に可動子１４Ｂをそれぞれ形成する。
次に、パターニングにより可動子１３Ｂを形成することとなる領域にくぼみを形成すると共に、例えば減圧ＣＶＤを使用して互いに異なる熱膨張係数を有する材料を積層したのち、パターニングすることにより、図７（Ｂ）に示したように、そのくぼみに可動子１３Ｂを形成する。
次に、例えば減圧ＣＶＤ法を使用して、半導体基板１上の表面全体を覆うように、ポリシリコンなどの優れた機械的特性を有する材料を成膜することにより、図７（Ｂ）に示したように、前躯体１５Ｄを形成する。さらに、例えば減圧ＣＶＤ法を使用して、半導体基板１上の表面全体を覆うように、ＬＰ−ＴＥＯＳを成膜したのち、パターニングすることにより、後工程において弾性部１５が形成されることとなる領域と対向する領域に開口部を有する犠牲層Ｔ２を形成する。
次に、可動子１２Ｂ、可動子１３Ｂ、可動子１４Ｂおよび支持部１６が互いに接続されることとなるようにパターニングすることにより、図７（Ｃ）に示したように、例えばミアンダばねからなる弾性部１５を複数形成する。
続いて、例えば希フッ化水素（ＤＨＦ；Diluted Hydrogen Fluorede ）溶液などの溶解液を使用して犠牲層Ｔ１および犠牲層Ｔ２を溶解させることにより、その犠牲層Ｔ１および犠牲層Ｔ２を選択的に除去する。これにより、図７（Ｃ）に示したように、犠牲層Ｔ１が設けられていた箇所に、空間Ｇが構成されるので、間隙ｇ１を介して固定子１２Ａと可動子１２Ｂとが、所定の間隙を介して絶縁層２と可動子１３Ｂとが、間隙ｇ２を介して固定子１４Ａと可動子１４Ｂとが、互いに対向配置される。このようにして、スイッチング素子が形成される。
次に、図２および図８（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、本実施の形態のスイッチング素子の作用について説明する。図２は、オフ状態の様子を、図８（Ａ）〜（Ｃ）は、オフ状態からオン状態に移行する様子をそれぞれ表したものである。
本実施の形態のスイッチング素子は、オン状態およびオフ状態のツーステートを有しており、素子駆動部１７から切替部１３および保持部１４に対してオン動作の指令が送られると、切替部１３および保持部１４は、オフ状態からオン状態へ、逆に、オフ動作の指令が送られると、切替部１３および保持部１４は、オン状態からオフ状態へそれぞれ移行する。また、素子駆動部１７から切替部１３および保持部１４に対して状態の変更を求める何らかの指令が送られて来ない限り、切替部１３および保持部１４は、オン状態およびオフ状態のいずれか一方の状態を維持する。なお、オン状態は図８（Ｃ）に示された状態、オフ状態は図２に示された状態をそれぞれ指している。
オン動作について具体的に説明すると、まず、素子駆動部１７は、切替部１３に対して電力供給を開始する。すると、第１膨張層１３Ｂ−１および第２膨張層１３Ｂ−２が熱エネルギーを吸収して熱膨張を開始し、図８（Ａ）に示したように、切替部１３のうち弾性部１５の接続された一端が絶縁層２に近づく方向に変位し始める。このとき、保持部１４および継断部１２の間隙は、初期状態の間隙ｇ２，ｇ１から可動子１３Ｂの変位分を除いた大きさとなっている。
次に、素子駆動部１７は、図８（Ｂ）に示したように、可動子１３Ｂが固定子１３Ａと接触したのちに、保持部１４に対して電力供給を開始する。なお、切替部１３に対する電力供給を停止したとしても可動子１４Ｂに働く静電力により継断部１２の間隙を狭めることが可能な部位にまで可動子１３Ｂが到達したときに、保持部１４に対して電力供給を開始してもよい。すると、可動子１４Ｂに静電力が発生し、その静電力が吸引力となって可動子１４Ｂが弾性部１５に抗して固定子１４Ａ側に変位し、その結果、可動子１４Ｂが固定子１４Ａと接触する。
このとき、継断部１２の可動子１２Ｂは、弾性部１５を介して切替部１３の可動子１３Ｂおよび保持部１４の可動子１４Ｂと共に変位するが、固定子１４Ａの厚さｔ２が固定子１２Ａの厚さｔ１より薄くなっている場合には、継断部１２の間隙ｇ１は、保持部１４の間隙ｇ２より小さい。このため、可動子１４Ｂが固定子１４Ａと接触するときには、可動子１２Ｂが固定子１２Ａとすでに接触していることになる。また、可動子１２Ｂが固定子１２Ａと接触することにより、可動子１４Ｂに発生した静電力の一部が弾性部１５を介して可動子１２Ｂにも加えられるようになる。これにより、可動子１２Ｂは自重の他に、可動子１４Ｂから加えられた力で、固定子１２Ａを押圧することとなるので、継断部１２の接触抵抗が、単に可動子１２Ｂの自重だけで固定子１２Ａと接触した場合と比べて、格段に小さくなる。
次に、素子駆動部１７は、保持部１４に対して電力を供給しつつ、切替部１３に対して供給していた電力を停止する。なお、保持部１４に対して電力供給を開始すると同時に切替部１３に対して供給していた電力を停止してもよい。すると、可動子１３Ｂに発生していた歪みが消失し、図８（Ｃ）に示したように、可動子１３Ｂは初期状態に戻る。このとき、保持部１４は静電力により接触状態を維持しているので、継断部１２も接触状態を維持している。このような一連の動作によりオン動作が完了し、オン状態となる。
なお、オン動作において、素子駆動部１７が、切替部１３および保持部１４に対して同時に電力を供給するようにしてもよい。いずれにしても、オン状態において、継断部１２の固定子１２Ａおよび可動子１２Ｂが確実かつ安定に接触している必要がある。
一方、オフ動作について具体的に説明すると、素子駆動部１７は、オン状態において保持部１４に供給されていた電力の供給を停止すと、保持部１４に働いていた静電力が消失する。これにより、保持部１４の可動子１４Ｂは、図２に示したように、弾性部１５の力により固定子１４Ａから離れると共に上方へ変位し、オフ状態となる。このとき、切替部１３に対して電力の供給を停止する動作を改めて行う必要はない。オン状態において切替部１３には電力は供給されていないからである。
このように、本実施の形態のスイッチング素子では、継断部１２の継断と、継断部１２の切り替え後の状態の保持とが、弾性部１５を介した切替部１３と保持部１４との協調動作（２元駆動）によって行われる。
次に、本実施の形態のスイッチング素子の効果について説明する。
上記製造方法の説明の際に詳述したように、本実施の形態のスイッチング素子は、減圧ＣＶＤ法や、パターニング法など、通常の製造プロセスで使用される方法を用いて製造することが可能なものである。そのため、他の回路素子との製造プロセスの整合性が高く、他の回路素子と同一の基板上に形成することが可能となるので、他の回路素子と共に同一パッケージ内に実装することができる。また、可動子に「たわみ」を持たせるなどの特異な製法を必要としないので、製造プロセスを複雑化する虞もない。したがって、本実施の形態のスイッチング素子を容易に製造することができる。
また、上記したように、切替部１３および保持部１４は、電流の供給を受けて動作するものであり、外部から電磁場の供給を受けて動作するものではない。これにより、スイッチング素子に隣接して駆動手段１７を配置する必要がないので、半導体基板１上のレイアウトの自由度が制限されることがない。したがって、本実施の形態のスイッチング素子では、パッケージサイズの縮小化が妨げられる虞はない。
次に、高周波特性の観点から素子駆動電圧および消費電力について言及する。高周波特性における主なパラメータとしては、アイソレーション（クロストーク）と、インサーション・ロス（挿入損失）が挙げられる。前者は、一般的なスイッチング素子（シリーズ方式）の絶縁抵抗に相当し、絶縁抵抗が大きいほど漏れが小さいことを意味するが、スイッチング素子のアイソレーションを大きくするには、継断部１２の固定子１２Ａと可動子１２Ｂとの間隙ｇ１をある程度大きくすることが必要となる。しかしながら、間隙ｇ１を大きくすると、継断部１２の可動子１２Ｂのストロークも大きくなるので、従来のように、単一のアクチュエータからなるスイッチング素子（本実施の形態の保持部１４がない場合に相当する）を用いただけでは、充分なストロークが得られたとしても、素子駆動電圧がストロークの２乗に比例して大きくなることから、消費電力が例えば数百ｍＷ、または駆動電圧が例えば２０Ｖを超える程に大きくなってしまう。その結果、特に、低電圧動作・低消費電力化が常識となっている電子機器の技術分野では、このようなスイッチング素子を使用することは困難である。
また、後者は、一般的なスイッチング素子（シリーズ方式）の接触抵抗に相当し、接触抵抗が小さいほど接点間での信号の損失が小さくなり、正確な信号伝達をすることができ、また、発熱を小さくできることを意味するが、スイッチング素子のインサーション・ロスを小さくするには、継断部１２の固定子１２Ａと可動子１２Ｂとの接触抵抗を下げることが必要である。しかしながら、接触抵抗を下げるためには、可動子１２から固定子１２Ａに対して一定の圧力を加えることが必要となるので、単一のアクチュエータからなる従来のスイッチング素子を用いた場合には、アクチュエータの間隙を継断部のそれより大きくするか、または、アクチュエータの固定子の厚さを継断部の固定子のそれより薄くすることが必要となる。その結果、アクチュエータのストロークが大きくなり、上記と同様の問題が生じてしまうので、このようなスイッチング素子を使用することは、インサーション・ロスの観点からも困難である。
一方、本実施の形態のスイッチング素子では、上記したように、継断部１２の継断と、継断部１２の切り替え後の状態の保持とが、式（１）および式（２）を同時に満たした状態で、弾性部１５を介した切替部１３と保持部１４との協調動作によって行われるので、充分なストロークを得ることができると共に、継断部１２の接触抵抗を下げることができる。
これにより、インサーション・ロスや、アイソレーションなどの高周波特性を非常によくすることができ、高周波特性が良いとされているＭＭＩＣ（Monolithic Microwave Integrated Circuit ；モノリシック・マイクロ波集積回路）と比べても、勝るとも劣らない優れた高周波特性を備えたものとなる。なお、このＭＭＩＣは、トランジスタなどの能動素子のほか、抵抗やコンデンサなどの受動素子、さらには信号分配や合成回路などを一体化して一つの化合物半導体基板（主としてＧａＡｓ（ガリウム砒素）など) 上に形成した集積回路のことであり、主にマイクロ波・ミリ波の帯域で用いられるものである。このＭＭＩＣは携帯電話をはじめ、アンプ、ミキサー、アンテナ・スイッチなどにも使われている。
また、本実施の形態では、信号線路１１の継断を大きなストロークで行えるように、熱アクチュエータを切替部１３として選択し、一方、継断部１２の切り替え後の状態を長時間保持できるように、静電キャパシタを保持部１４として選択するようにしたので、目的・用途に応じて最適な回路構成を選択することができる。これにより、低電圧・低消費電力系の素子と一体的に形成することが可能な程度の低電圧化・低消費電力化を両立させることができる。
以上のことから、本実施の形態のスイッチング素子によれば、製造プロセスが容易で、かつパッケージサイズの縮小化を妨げることがなく、しかも低電圧・低消費電力系の素子と一体的に形成することができる。
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図９は、本実施の形態に係るスイッチング素子（可動素子）の断面構成の一例を表したものである。図１０（Ａ）〜（Ｃ）は、オフ状態からオン状態に移行する様子を表したものである。
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図９は、本実施の形態に係るスイッチング素子（可動素子）の断面構成の一例を表したものである。図１０（Ａ）〜（Ｃ）は、オフ状態からオン状態に移行する様子を表したものである。
本実施の形態に係るスイッチング素子は、切替部１３の代わりに切替部２３を備える以外は、上記第１の実施の形態と同一の構成を備えている。そこで、以下、上記第１の実施の形態と同一の構成・作用・効果については適宜省略する。
切替部２３は、図９に示したように、Ｘ軸方向に延在する圧電体からなる可動子２３Ｂにより構成されている。なお、圧電体とは、例えば、母材としてのＳｉと、結晶制御を兼ねた配線としてのメタル層（例えばＰｔ）と、圧電層（例えばＡｌＮ、ＰＺＴ、ＢａＴｉＯｘ）とを含んで構成されたものである。この可動子２３Ｂは、電圧が印加されると、圧電効果による歪みを生じ、この歪みにより、弾性部１５の接続された一端が絶縁層２に近づく方向に変位するようになっている。このように、この切替部２３は、圧電アクチュエータとしての機能を有している。
なお、継断部１２の固定子１２Ａの厚さをｔ１、保持部１４の固定子１４Ａの厚さをｔ２、オフ状態における、継断部１２の固定子１２Ａと可動子１２Ｂとの間隙の大きさをｇ１、保持部１４の固定子１４Ａと可動子１４Ｂとの間隙の大きさをｇ２とすると、上記第１の実施の形態と同様の理由から、上記の式（１）および式（２）をそれぞれ満たすことが好ましい。
本実施の形態に係るスイッチング素子の動作について説明する。オン動作について具体的に説明すると、まず、素子駆動部１７は、切替部２３に対して電力供給を開始する。すると、圧電素子が圧電効果による歪みを生じ、図１０（Ａ）に示したように、切替部２３のうち弾性部１５の接続された一端が絶縁層２に近づく方向に変位し始める。このとき、保持部１４および継断部１２の間隙は、初期状態の間隙ｇ２，ｇ１から可動子１３Ｂの変位分を除いた大きさとなっている。その後の図１０（Ｂ），（Ｃ）に示された動作は、上記第１の実施の形態の場合と同様である。オフ動作についても同様である。
これより、本実施の形態では、信号線路１１の継断を大きなストロークで行えるように、圧電アクチュエータを切替部１３として選択し、一方、継断部１２の切り替え後の状態を長時間保持できるように、静電キャパシタを保持部１４として選択するようにしたので、目的・用途に応じて最適な回路構成を選択することができる。これにより、低電圧・低消費電力系の素子と一体的に形成することが可能な程度の低電圧化・低消費電力化を両立させることができる。
したがって、本実施の形態に係るスイッチング素子によれば、上記第１の実施の形態と同様に、製造プロセスが容易で、かつパッケージサイズの縮小化を妨げることがなく、しかも低電圧・低消費電力系の素子と一体的に形成することができる。
［適用例］
次に、図１１を参照して、上記実施の形態のスイッチング素子を搭載した通信装置の構成について説明する。図１１は、電子機器としての通信装置のブロック構成を表している。なお、本発明のスイッチング素子を搭載した半導体デバイスおよびモジュールは、上記通信装置により具現化されるので、以下、合わせて説明する。
次に、図１１を参照して、上記実施の形態のスイッチング素子を搭載した通信装置の構成について説明する。図１１は、電子機器としての通信装置のブロック構成を表している。なお、本発明のスイッチング素子を搭載した半導体デバイスおよびモジュールは、上記通信装置により具現化されるので、以下、合わせて説明する。
図１１に示した通信装置は、上記実施の形態において説明したスイッチング素子を送受信切替器３０１（半導体デバイス）として搭載したものであり、例えば、携帯電話器、情報携帯端末（ＰＤＡ）、無線ＬＡＮ機器などである。なお、上記送受信切替器３０１は、ＳｏＣからなる半導体デバイス内に形成されている。この通信装置は、例えば、図１１に示したように、送信系回路３００Ａ（モジュール）と、受信系回路３００Ｂ（モジュール）と、送受信経路を切り替える送受信切換器３０１と、高周波フィルタ３０２と、送受信用のアンテナ３０３とを備えている。
送信系回路３００Ａは、Ｉチャンネルの送信データおよびＱチャンネルの送信データに対応した２つのデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ；Digital/Analogue Converter）３１１Ｉ，３１１Ｑおよび２つのバンドパスフィルタ３１２Ｉ，３１２Ｑと、変調器３２０および送信用ＰＬＬ（Phase-Locked Loop ）回路３１３と、電力増幅器３１４とを備えている。この変調器３２０は、上記した２つのバンドパスフィルタ３１２Ｉ，３１２Ｑに対応した２つのバッファアンプ３２１Ｉ，３２１Ｑおよび２つのミキサ３２２Ｉ，３２２Ｑと、移相器３２３と、加算器３２４と、バッファアンプ３２５とを含んで構成されている。
受信系回路３００Ｂは、高周波部３３０、バンドパスフィルタ３４１およびチャンネル選択用ＰＬＬ回路３４２と、中間周波回路３５０およびバンドパスフィルタ３４３と、復調器３６０および中間周波用ＰＬＬ回路３４４と、Ｉチャンネルの受信データおよびＱチャンネルの受信データに対応した２つのバンドパスフィルタ３４５Ｉ，３４５Ｑおよび２つのアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ；Analogue/Digital Converter）３４６Ｉ，３４６Ｑとを備えている。高周波部３３０は、低ノイズアンプ３３１と、バッファアンプ３３２，３３４と、ミキサ３３３とを含んで構成されており、中間周波回路３５０は、バッファアンプ３５１，３５３と、自動ゲイン調整（ＡＧＣ；Auto Gain Controller）回路３５２とを含んで構成されている。復調器３６０は、バッファアンプ３６１と、上記した２つのバンドパスフィルタ３４５Ｉ，３４５Ｑに対応した２つのミキサ３６２Ｉ，３６２Ｑおよび２つのバッファアンプ３６３Ｉ，３６３Ｑと、移相器３６４とを含んで構成されている。
この通信装置では、送信系回路３００ＡにＩチャンネルの送信データおよびＱチャンネルの送信データが入力されると、それぞれの送信データを以下の手順で処理する。すなわち、まず、ＤＡＣ３１１Ｉ、３１１Ｑにおいてアナログ信号に変換し、引き続きバンドパスフィルタ３１２Ｉ，３１２Ｑにおいて送信信号の帯域以外の信号成分を除去したのち、変調器３２０に供給する。続いて、変調器３２０において、バッファアンプ３２１Ｉ，３２１Ｑを介してミキサ３２２Ｉ，３２２Ｑに供給し、引き続き送信用ＰＬＬ回路３１３から供給される送信周波数に対応した周波数信号を混合して変調したのち、両混合信号を加算器３２４において加算することにより１系統の送信信号とする。この際、ミキサ３２２Ｉに供給する周波数信号に関しては、移相器３２３において信号移相を９０°シフトさせることにより、Ｉチャンネルの信号とＱチャンネルの信号とが互いに直交変調されるようにする。最後に、バッファアンプ３２５を介して電力増幅器３１４に供給することにより、所定の送信電力となるように増幅する。この電力増幅器３１４において増幅された信号は、送受信切換器３０１および高周波フィルタ３０２を介してアンテナ３０３に供給されることにより、そのアンテナ３０３を介して無線送信される。この高周波フィルタ３０２は、通信装置において送信または受信する信号のうちの周波数帯域以外の信号成分を除去するバンドパスフィルタとして機能する。
一方、アンテナ３０３から高周波フィルタ３０２および送受信切換器３０１を介して受信系回路３００Ｂに信号が受信されると、その信号を以下の手順で処理する。すなわち、まず、高周波部３３０において、受信信号を低ノイズアンプ３３１で増幅し、引き続きバンドパスフィルタ３４１で受信周波数帯域以外の信号成分を除去したのち、バッファアンプ３３２を介してミキサ３３３に供給する。続いて、チャンネル選択用ＰＰＬ回路３４２から供給される周波数信号を混合し、所定の送信チャンネルの信号を中間周波信号とすることにより、バッファアンプ３３４を介して中間周波回路３５０に供給する。続いて、中間周波回路３５０において、バッファアンプ３５１を介してバンドパスフィルタ３４３に供給することにより中間周波信号の帯域以外の信号成分を除去し、引き続きＡＧＣ回路３５２でほぼ一定のゲイン信号としたのち、バッファアンプ３５３を介して復調器３６０に供給する。続いて、復調器３６０において、バッファアンプ３６１を介してミキサ３６２Ｉ，３６２Ｑに供給したのち、中間周波用ＰＰＬ回路３４４から供給される周波数信号を混合し、Ｉチャンネルの信号成分とＱチャンネルの信号成分とを復調する。この際、ミキサ３６２Ｉに供給する周波数信号に関しては、移相器３６４において信号移相を９０°シフトさせることにより、互いに直交変調されたＩチャンネルの信号成分とＱチャンネルの信号成分とを復調する。最後に、Ｉチャンネルの信号およびＱチャンネルの信号をそれぞれバンドパスフィルタ３４５Ｉ，３４５Ｑに供給することによりＩチャンネルの信号およびＱチャンネルの信号以外の信号成分を除去したのち、ＡＤＣ３４６Ｉ，３４６Ｑに供給してデジタルデータとする。これにより、Ｉチャンネルの受信データおよびＱチャンネルの受信データが得られる。
この通信装置は、上記各実施の形態において説明したスイッチング素子を受信切替器３０１として搭載しているため、上記実施の形態において説明した作用により、優れた高周波特性を有する。
また、上記実施の形態と同様、低電圧・低消費電力系の素子と一体的に形成することが可能な程度の低電圧・低消費電力で可動素子を駆動させることが可能である。その結果、低電圧動作・低消費電力化が常識となっている移動通信端末装置の技術分野においても実用に耐えることができる。
なお、図１１に示した通信装置では、上記各実施の形態において説明したスイッチング素子を受信切替器３０１（半導体デバイス）に適用する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えば、スイッチング素子を送信系回路３００Ａおよび受信系回路３００Ｂ（モジュール）内のミキサ３３２Ｉ，３３２Ｑ，３３３，３６２Ｉ，３６２Ｑや、バンドパスフィルタ３１２Ｉ，３１２Ｑ，３４１，３４３，３４６Ｉ，３４６Ｑ、または、高周波フィルタ３０２（半導体デバイス）に適用してもよい。この場合においても、上記と同様の効果を得ることができる
以上、実施の形態を挙げて本発明の可動素子について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の可動素子の構成やその製造方法に関する手順などは、上記実施の形態と同様の効果を得ることが可能な限りにおいて自由に変形可能である。
また、上記実施の形態では、本発明の可動素子を携帯電話機などの通信装置に代表される電子機器に適用する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、通信装置以外の電子機器に適用することも可能である。これらのいずれの場合においても、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
１…半導体基板、２…絶縁層、１０…スイッチング構造体、１１…信号線路、１２…継断部、１２Ａ，１４Ａ…固定子、１２Ｂ，１３Ｂ，１４Ｂ，２３Ｂ…可動子、１３，２３…切替部、１４…保持部、１３Ｂ−１…第１膨張層、１３Ｂ−２…第２膨張層、１４Ａ−１…導電層、１４Ａ−２…高抵抗層、１５…弾性部、１６…支持部、１７…素子駆動部、ｇ１，ｇ２…間隙、ｔ１，ｔ２…固定子の厚さ、Ｇ…空間。
Claims (10)
- 半導体基板上に、
信号を伝送するための信号線路と、
前記信号線路を機械的に継断するための継断手段と、
前記継断手段を切り替えるための切替手段と、
前記継断手段の切り替え後の状態を保持するための保持手段と、
前記継断手段、切替手段および保持手段を支持する支持手段と
を備え、
前記切替手段は可動子を、前記継断手段および保持手段は互いに対向配置された一組の可動子および固定子をそれぞれ有し、
前記切替手段、前記保持手段および前記継断手段のそれぞれの可動子は、ミアンダバネを介して前記支持手段によって支持されるとともに、前記支持手段側から、前記切替手段、前記保持手段および前記継断手段の順に配置され、
前記切替手段は、熱アクチュエータまたは圧電アクチュエータにより構成され、
前記保持手段は、静電アクチュエータにより構成される
可動素子。 - 前記継断手段の固定子の厚さをｔ１、前記保持手段の固定子の厚さをｔ２、前記継断手段の固定子と可動子との間隙の大きさをｇ１、前記保持手段の固定子と可動子との間隙の大きさをｇ２とすると、以下の式（１）および式（２）をそれぞれ満たす
請求項１に記載の可動素子。
ｔ１≧ｔ２…（１）
ｇ１≦ｇ２…（２） - 前記切替手段の可動子は、互いに異なる熱膨張係数を有する材料を複数積層した構造を有し、
前記継断手段の固定子および可動子、ならびに保持手段の固定子および可動子は、導電性材料または誘電体材料を含んでそれぞれ構成される
請求項１に記載の可動素子。 - 前記保持手段へ電力を供給すると同時に、または前記保持手段へ電力を供給したのちに、前記切替手段への電力の供給を停止するように構成された駆動回路
をさらに備えた
請求項３に記載の可動素子。 - 前記切替手段の可動子は、圧電体を含んで構成され、
前記継断手段の固定子および可動子、ならびに保持手段の固定子および可動子は、導電性材料を含んでそれぞれ構成される
請求項１に記載の可動素子。 - 前記保持手段へ電力を供給すると同時に、または前記保持手段へ電力を供給したのちに、前記切替手段への電力の供給を停止するように構成された駆動回路
をさらに備えた
請求項５に記載の可動素子。 - 一の素子と他の素子とに接続された可動素子を内蔵する半導体デバイスであって、
前記可動素子は、半導体基板上に、前記一の素子から前記他の素子へ信号を伝送するための信号線路と、前記信号線路を機械的に継断するための継断手段と、前記継断手段を切り替えるための切替手段と、前記継断手段の切り替え後の状態を保持するための保持手段と、前記継断手段、切替手段および保持手段を支持する支持手段とを有し、
前記切替手段は可動子を、前記継断手段および保持手段は互いに対向配置された一組の可動子および固定子をそれぞれ有し、
前記切替手段、前記保持手段および前記継断手段のそれぞれの可動子は、ミアンダバネを介して前記支持手段によって支持されるとともに、前記支持手段側から、前記切替手段、前記保持手段および前記継断手段の順に配置され、
前記切替手段は、熱アクチュエータまたは圧電アクチュエータにより構成され、
前記保持手段は、静電アクチュエータにより構成される
半導体デバイス。 - 前記一の素子、他の素子および可動素子は、同一パッケージ内に形成されている
請求項７に記載の半導体デバイス。 - 前記請求項７または請求項８に記載の半導体デバイスを内蔵する
モジュール。 - 前記請求項７または請求項８に記載の半導体デバイスを内蔵する
電子機器。
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