JP5621616B2 - Ｍｅｍｓスイッチおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（micro electromechanical system）スイッチおよびその製造方法に関する。ｍｍオーダより短い寸法の構成部分を有する電気機械的部材をＭＥＭＳと呼ぶ。

シリコン加工技術は、集積回路の進歩と共に高度に発達し、ＭＥＭＳ作製に適している。支持Ｓｉ基板上に、酸化シリコン膜を接着膜（ボンディング酸化膜ＢＯＸ膜）として、活性Ｓｉ層を貼り付けたＳＯＩ基板は、活性Ｓｉ層を薄くでき、誘電体分離の高性能Ｓｉ素子を形成できるのみでなく、酸化シリコン膜は希弗酸等で選択的に除去でき、可動部を有するＭＥＭＳ作製に利用できる。ＳＯＩ基板は、一般的には、１対のＳｉ基板の少なくとも一方を熱酸化し、酸化シリコン膜を介して１対のＳｉ基板を熱圧着することで作製される。

携帯電話等の高周波（ＲＦ）部品に対する小型化、高性能化の要求に応えるため、ＭＥＭＳ技術を用いたＲＦ信号切り替えスイッチの研究、開発が盛んに行われている。ＭＥＭＳスイッチは機械的なスイッチであって、寄生容量を小さくでき、半導体素子を用いたスイッチに比べ、損失が少なく、絶縁性が高く、信号に対する歪み特性がよい。

ＳＯＩ基板の活性シリコン層をカンチレバー形状にパターニングし、カンチレバー下方のＢＯＸ膜をエッチング除去して、可動カンチレバーを形成することができる。カンチレバー上に可動電極、その上方に延在する固定電極を形成し、カンチレバーを上方に変形可能とすればスイッチを形成することができる。カンチレバーを上方に変形する手段としては、圧電部材を用いる方法、静電駆動電極を用いる方法等が知られている。

特開２００６−２６１５１５号は、カンチレバーの先端に可動コンタクト電極を形成し、両側の固定部から可動コンタクト電極上方に延在する１対の固定コンタクト電極を形成してスイッチを形成すると共に、カンチレバーの根元部から中間位置までの領域に、１対の駆動電極に挟まれた圧電材料層を含む圧電駆動部を形成し、圧電駆動部の周囲のカンチレバー（活性Ｓｉ層）に溝部を形成することを提案する。

固定コンタクト電極は、下部に空隙を有する構造であり、下方の可動コンタクト電極と対向する。同様の構造で対向電極間に電圧を印加すると静電引力により駆動力を得ることができる。

対向する電極により静電駆動構造を形成し、静電駆動によりカンチレバーを駆動する構造が知られている。例えば、カンチレバーの上に形成した可動接点とそれを跨ぐように形成したブリッジ状の固定電極でＲＦ−ＭＥＭＳスイッチを形成できる。

特開２００７−１９６３０３号は、カンチレバー先端にスイッチ用可動電極、カンチレバーの中間部に可動静電駆動電極を設け、スイッチ用可動電極上方に１対の固定スイッチ電極、可動静電駆動電極上方にブリッジ状固定静電駆動電極を形成し、対向する静電駆動電極に適当な駆動電圧を与えると、可動静電駆動電極とブリッジ状固定静電駆動電極との間に発生する静電引力により、カンチレバーが上方に引き寄せられ、１対の固定スイッチ電極間をスイッチ用可動電極が閉じ、駆動電圧を切ると、弾性によりカンチレバーが元の状態に戻り、接点が離れた状態に戻る、マイクロスイッチを開示している。以下、公報の図面を復元して説明する。

図１２ＡはＳＯＩ基板の表面に下部電極を形成した状態を示す平面図、図１２Ｂは下部電極上方にオーバーハングする上部電極構造を形成した状態を示す平面図であり、図１２Ｃは図１２ＢのＺＣ−ＺＣ線に沿う断面図である。図示の都合上、図１２Ｃは左右が反転している。

図１２Ｃに示すように、ＳＯＩ基板は、支持シリコン基板ＳＳ上にボンディング酸化（酸化シリコン）膜ＢＯＸを介して活性シリコン層ＡＬを結合した構造を有する。活性シリコン層ＡＬは、１０００Ω・ｃｍ以上の高い抵抗率を有する。活性シリコン層ＡＬの厚さは例えば５μｍ〜２０μｍ、ボンディング酸化膜ＢＯＸの厚さは例えば２μｍ〜４μｍである。支持シリコン基板ＳＳの厚さは４００μｍ〜６００μｍで供給される。支持シリコン基板ＳＳは物理的支持を与えるための部材であり、必要に応じて、支持シリコン基板ＳＳを薄く加工する。

図１２Ａに示すように、活性シリコン層ＡＬ上に可動コンタクト電極ＭＣＥ、可動駆動電極ＭＤＥを含む下部電極が形成される。活性シリコン層ＡＬを貫通するスリットＳによって片持ち梁（カンチレバー）ＣＬの可動部が画定される。この状態では、可動部下部のボンディング酸化膜ＢＯＸは、未だ除去されていない。

なお、スリットＳの幅は例えば１．５μｍ〜２．５μｍ、カンチレバーＣＬの長さは例えば７００μｍ〜１０００μｍである。カンチレバーＣＬの先端部および中間部が幅広にパターニングされ、それぞれの上に可動コンタクト電極ＭＣＥ、可動駆動電極ＭＤＥが形成されている。カンチレバー先端の幅は、１００μｍ〜２００μｍである。可動駆動電極ＭＤＥは、図中下方に引き出されて接続領域を画定している。これらの可動電極ＭＣＥ，ＭＤＥは、例えば厚さ５０ｎｍのＣｒ層と厚さ５００ｎｍのＡｕ層の積層で形成する。電極のパターニングはレジストパターンを用いたリフトオフまたはエッチング（ミリング）で行える。

上部電極構造は、可動部外側の固定部に支持され、可動部の下部電極上方に延在する形状を有する固定電極である。スリットＳ形成後、可動電極を覆って活性シリコン層ＡＬ上に犠牲膜を形成し、犠牲膜をパターニングして、メッキ底面構造を形成する。メッキ底面構造の上にメッキ下地膜を形成し、その上にレジストパターンを形成し、メッキ層を形成する領域を画定した後、露出しているメッキ下地膜上に電解メッキを行う。メッキ底面構造、レジストパターンによって画定された固定電極が形成される。なお、犠牲膜は例えば酸化シリコン膜で形成できる。メッキ下地膜は例えば厚さ５０ｎｍのＣｒ膜、と厚さ５００ｎｍのＡｕ層の積層で形成する。メッキ層は例えば金を電解メッキする。

メッキ終了後、レジストパターンを除去し、露出したメッキ下地膜を除去し、犠牲膜を除去する。犠牲膜除去により露出するメッキ下地Ｃｒ膜をさらに除去する。カンチレバー下のボンディング酸化膜ＢＯＸをエッチング除去する。

図１２Ｂに示すように、可動コンタクト電極ＭＣＥ上方に張出す１対の固定コンタクト電極ＦＣＥ，可動駆動電極ＭＤＥ上方にブリッジ型の固定駆動電極ＦＤＥが形成される。１対の固定コンタクト電極ＦＣＥは高周波ＲＦ信号線路に接続され、高周波信号をＯＮ／ＯＦＦする高周波スイッチを構成する。

図１２Ｃは、図１２ＢにおけるＺＣ−ＺＣ線に沿う断面を示し、可動電極と固定電極の離隔対向関係を示している。固定駆動電極ＦＤＥを例えば接地し、可動駆動電極ＭＤＥに所定電位を与えると、静電引力が生じ、カンチレバーＣＬが上方に変位する。カンチレバーＣＬと共に、可動コンタクト電極ＭＣＥも上方に変位し、１対の固定コンタクト電極ＦＣＥ間を接続する。

なお、可動部が支持部に張り付いてしまうスティッキング現象も知られている。特開２００７−１９６３０３号は、片持ち梁構造のスティッキング現象を回避するため、当初はスリットを分断して片持ち梁の複数個所を固定部に接続する支持梁を残した形状とし、ＢＯＸ膜除去工程中のカンチレバーＣＬを支持し、その後、ＳＦ_６ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）で支持梁を除去することを提案する。支持梁は、０．３μｍ〜５０μｍの幅を有する。

上述の構造においては、高周波可動電極ＦＣＥと所定電位を与えられる駆動電極ＭＤＥ、接地電極ＦＤＥとが、活性シリコン層ＡＬ上に配置されている。活性シリコン層ＡＬが高抵抗率であっても、高周波電極ＦＣＥと駆動電極ＦＤＥ，ＭＤＥ間に多少なりともクロストークないしリークが生じる。

特開２００６−２６１５１５号公報 特開２００７−１９６３０３号公報

カンチレバーを利用したマイクロスイッチに新たな構造を採用しようと試みたところ、新たな問題が生じた。

１実施例によれば、ＭＥＭＳスイッチは、
支持Ｓｉ基板上に活性Ｓｉ層がボンディング酸化膜を介して結合されたＳＯＩ基板と、
前記活性Ｓｉ層を貫通するスリットによって、接続端部以外が前記活性Ｓｉ層内に画定されたカンチレバー領域と、
前記カンチレバー領域下方のボンディング酸化膜を除去することにより、前記カンチレバー領域と前記支持Ｓｉ基板との間に形成されたキャビティと、
前記キャビティを取り囲む前記ＳＯＩ基板の固定部と、
前記カンチレバー領域上から前記接続端部上を介して前記固定部上に延在する可動コンタクト電極と、
前記活性Ｓｉ層を貫通するスリットによって前記固定部に画定された、前記キャビティに隣接する前記活性Ｓｉ層の第１領域と、前記第１領域に隣接する前記活性Ｓｉ層の第２領域であって、前記第１領域のキャビティに隣接する辺の近傍で、前記スリットを横断する前記活性Ｓｉ層の結合領域によって結合された第１領域と第２領域と、
前記活性Ｓｉ層の第１領域上に支持され、前記可動コンタクト電極上方にオーバーハングする部分を有する固定コンタクト電極と、
を有する。

活性Ｓｉ層を局所的に連続させることで、高周波信号的には電気的にほぼ絶縁状態を維持しつつ、剥離の問題を緩和することができる。

図１Ａは、新たな構成のマイクロスイッチを概略的に示す平面図、図１Ｂはボンディング酸化膜除去工程を示す断面図である。 図２Ａはチップ内の平面配置を示す平面図、図２Ｂ，２Ｃは製造工程を示す断面図である。 図３Ａは下部電極のパターンを示す平面図、図３Ｂ，３Ｃはスリットエッチング工程、犠牲膜形成工程を概略的に示す断面図である。 図４Ａ、４Ｂはメッキ工程を示す平面図、断面図である。 図５Ａ，５Ｂ，５Ｃはメッキ工程終了後の平面図及び断面図である。 図６Ａ，６Ｂは、剥離が生じた状態を概略的に示す断面図、剥離防止の１対策を示す断面図である。 図７Ａ，７Ｂは、第１の実施例によるＭＥＭＳスイッチの平面図、断面図である。 図８Ａ，８Ｂは、ＭＥＭＳスイッチの等価回路図、シミュレーションによる特性変化を示すグラフである。 図９Ａ，９Ｂは、第１の実施例の変形例をしめす平面図である。 図１０Ａ，１０Ｂは、第１の実施例の変形例を示す平面図である。 図１１Ａ，１１Ｂは、第２の実施例によるＭＥＭＳスイッチを示す拡大平面図、全体平面図である。 図１２Ａ、１２Ｂ，１２Ｃは、公知技術のＳＯＩ基板の表面に電極を形成した状態を示す平面図、ＳＯＩ基板表面に立体的電極構造を形成した状態を示す平面図、図１２ＢのＺＣ−ＺＣ線に沿う断面図である。 図１３は、変形例を示す平面図である。

図１Ａは、本発明者らが検討した、新たな構成のマイクロスイッチを概略的に示す平面図である。カンチレバーＣＬは、基本的に横長であり、横方向両端の２本の可撓性ビームＦＢで支持される。動作の安定性を増加できることが期待される。

カンチレバーＣＬ上に、駆動電極とスイッチ電極が横方向に並び、基本的に同一量変位する。変位量の増幅作用は得られないが、動作の安定性は増加することが期待される。マイクロスイッチは、単一の可動接点ＭＣＥと単一の固定接点ＦＣＥとが接触、離隔する構造である。接点数の減少により、故障発生率の減少が期待される。

図１Ａに示すマイクロスイッチにおいては、斜線部のボンディング酸化膜ＢＯＸを除去する為に、図１Ｂに示すように、カンチレバー領域の活性半導体（Ｓｉ）層に、貫通孔ＴＨを分布形成し、ボンディング酸化膜を予めエッチング除去しておく。貫通孔ＴＨを分布形成することにより、カンチレバー下のＢＯＸ膜を除去するためのサイドエッチング量が減少し、カンチレバー領域以外でのボンディング酸化膜ＢＯＸのサイドエッチング量を抑制できると期待される。活性Ｓｉ層の利用可能領域の増大が期待される。

各メッキ電極を支持する領域（メッキ電極領域と呼ぶ）の周囲に活性半導体（Ｓｉ）層を貫通するスリットＳを形成している。各電極間の電気的分離が向上し、ＲＦ信号のリークが減少することが期待される。

まず、上記着想に基づき、本発明者らが行なった予備的実験に沿って説明する。図２Ａに示すように、ＳＯＩチップ内の平面配置を設定する。図１Ａに示すような機能素子を実現する為、カンチレバー領域ＣＬ及び他の電極領域を画定するスリットＳの位置を決める。ＳＯＩ基板は、例えば抵抗率１００Ωｃｍ、厚さ１５μｍの（１００）Ｓｉ層が、厚さ４μｍの熱酸化膜を介して、厚さ３００μｍ〜５００μｍのＳｉ支持基板上に結合されたものである。ＳＯＩチップの寸法は、例えば５００〜８００μｍ×６００〜９００μｍ程度、カンチレバーの矩形領域の寸法は、例えば１２０μｍ×４５０μｍ程度、矩形短辺を延長した可撓ビームの寸法は４０μｍ×１２０μｍ程度である。

図２Ｂに示すように、カンチレバー領域ＣＬのボンディング酸化膜ＢＯＸを除去する為、カンチレバー領域ＣＬ内に分布した開口を有するレジストパターンＰＲ１を形成し、開口内の活性Ｓｉ層ＡＬをエッチングして貫通孔ＴＨを形成する。各開口は例えば約２μｍ×約６μｍの寸法を有する。エッチングは例えばＳＦ_６をエッチングガス、Ｃ_４Ｆ_８を堆積ガスとするdeep RIE（深堀り反応性イオンエッチング）（ボッシュプロセス）によって行う。

露出したボンディング酸化膜ＢＯＸを例えばバッファード弗酸でエッチングする。開口間の距離により、必要なサイドエッチング量が求まる。カンチレバー領域ＣＬのボンディング酸化膜ＢＯＸが除去され、カンチレバー領域ＣＬの活性半導体（Ｓｉ）層ＡＬと支持基板ＳＳとの間に空隙（キャビティ）ＣＶが形成される。キャビティＣＶに隣接する固定部においても、例えばスリット位置から幅２０μｍ程度のボンディング酸化膜ＢＯＸが除去される。

その後、レジストパターンを除去し、図２Ｃに示すように、下部電極層ＬＥを堆積し、下部電極層ＬＥ上にレジストパターンＰＲ２を形成し、露出部の下部電極層ＬＥをエッチングしてパタ−ニングを行なう。下部電極ＬＥは、例えば厚さ２００ｎｍのＴｉ層と厚さ５００ｎｍのＡｕ層とをスパッタリングで積層して形成する。開口内への下部電極層の形成はできなくても、各開口の面積は狭く、開口の周囲でパターニングした電極層は連続し、問題は生じない。その後レジストパターンＰＲ２は除去する。以下、下部電極層ＬＥ中の開口は図示を省略する。

図３Ａは、下部電極層をパターニングした状態の上面図である。断面図の位置を一点破線で示す。カンチレバーＣＬ領域の上部にスイッチ用の可動コンタクト電極ＭＣＥ，中間部から下部に可動駆動電極ＭＤＥが形成される。両電極ともカンチレバー領域ＣＬの可撓性ビームＦＢを通り、外部の固定部に延在する。可動駆動電極ＭＤＥと対向する固定駆動電極ＦＤＥ領域にも下部電極を形成する。スリットＳの位置を破線で示す。

図３Ｂに示すように、スリットＳ形成領域に開口を有するレジストパターンＰＲ３を形成し、開口内に露出した活性Ｓｉ層ＡＬをエッチングして活性Ｓｉ層ＡＬを貫通するスリットＳを形成する。スリット幅は、例えば約２μｍである。エッチングは例えばＳＦ_６をエッチングガス、Ｃ_４Ｆ_８を堆積ガスとするdeep RIEによって行う。カンチレバーＣＬの活性Ｓｉ層ＡＬ下のボンディング酸化膜ＢＯＸは既に除去されている。カンチレバーＣＬが可撓性ビームＦＢの可撓性により、上下変位可能になる。その後、レジストパターンＰＲ３を除去する。

固定電極は、固定部に支持され、スリットＳ上方を横断し、下部電極上方にオーバーハングする部分を有する。従って、固定電極形成前に下部電極、スリットを形成しておく必要がある。

図３Ｃに示すように、活性Ｓｉ層ＡＬ上に犠牲膜ＳＦを化学気相堆積（ＣＶＤ）で堆積する。スリットＳにおいても側壁に堆積した膜が次第に張り出し、やがてスリットＳは塞がれる。例えば、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）をＳｉソースガスとし、酸化シリコン膜をプラズマＣＶＤで厚さ約４μｍ堆積する。その後、３枚のレジストマスクを用いて深さ３μｍのエッチング、深さ０．５μｍのエッチング、深さ０．５μｍのエッチングを行なう。

３回のエッチングで計４μｍのエッチングを受けた領域は、活性Ｓｉ層ＡＬが露出する。３μｍと０．５μのエッチングで、深さ約３．５μｍの孔が可動コンタクト電極ＭＣＥ上方の犠牲膜ＳＦ中に形成され、固定コンタクト電極ＦＣＥの接点を画定する。３μｍのエッチングで深さ約３．０μｍの凹部が可動駆動電極ＭＤＥ上方の犠牲膜ＳＦ中に形成され、固定駆動電極ＭＤＥのブリッジ部分を画定する。可動コンタクト電極が固定コンタクト電極ＦＣＥの接点に接しても、駆動電極対の間には約０．５μｍのギャップが残る配置となる。メッキにより、可動電極上方に延在する部分を有する固定電極を形成する。

図４Ａ，４Ｂに示すように、まず、犠牲膜ＳＦを覆って、活性Ｓｉ層ＡＬ全面上にシード層ＳＤを形成する。例えば、厚さ５０ｎｍのＭｏ層と厚さ５００ｎｍのＡｕ層をスパッタリングで積層してシード層ＳＤとする。シード層ＳＤ上に、メッキしない領域を覆うレジストパターンＰＲ５を形成する。レジストパターンＰＲ５の領域を図４Ａ中斜線部で示す。電解メッキによりシード層ＳＤ上にＡｕメッキ層ＰＬを、例えば厚さ１５μｍ、形成する。その後、レジストパターンＰＲ５を除去し、露出したシード層ＳＤはＡｒイオンを用いたミリングで除去し、露出した犠牲膜ＳＦはエッチングで除去する。犠牲膜ＳＦ除去により露出したメッキ層ＰＬ下面のＭｏ層はエッチングで除去する。

図５Ａ、５Ｂ、５Ｃは得られる構造を示す。図５Ａが平面図、図５ＢがＢ−Ｂ線に沿う断面図、図５ＣがＢ−Ｃ線に沿う断面図である。固定コンタクト電極ＦＣＥの下方に可動コンタクト電極ＭＣＥが配置され、ブリッジ状固定駆動電極ＦＤＥ下方に可動駆動電極ＭＤＥが配置される。駆動電極ＭＤＥ，ＦＤＥ間に静電引力が生じると、１対の可撓性ビームＦＢで支持されたカンチレバーＣＬ先端が上方に変位し、可動電極ＭＤＥ，ＭＣＥを同一高さ分上方に変位させる。可動コンタクト電極ＭＣＥが固定コンタクト電極ＦＣＥに当接すると、スイッチがオンになる。この時、可動駆動電極ＭＤＥは未だ固定駆動電極から離れた位置にある。

高周波の通過する電極が形成されたメッキ電極領域は、（カンチレバー領域ＣＬを除いて）周囲をスリットＳで囲まれ、周囲から電気的に分離されている。従って、高周波信号のリークは抑制される。

ところで、試作したマイクロスイッチにおいて、スイッチがオンするのに必要な電圧が、異常に高くなるものが生じた。例えば、通常のマイクロスイッチが４０Ｖの電位差でオンするのに、５０Ｖ印加しないとオンしないマイクロスイッチが生じた。

図６Ａに示すように、このような異常の生じたマイクロスイッチを検査したところ、破線で示すように、固定コンタクト電極ＦＣＥを支持するメッキ電極領域の活性Ｓｉ層ＡＬが下地Ｓｉ基板ＳＳから剥離している場合があることが見出された。

剥離は、活性Ｓｉ層ＡＬとボンディング酸化膜ＢＯＸとの界面、ボンディング酸化膜ＢＯＸ内の結合面、ボンディング酸化膜ＢＯＸとＳｉ基板ＳＳとの界面のいずれかで生じているようであり、ＳＯＩ基板製作時の結合（接合）面が剥離するものと考えられる。

活性Ｓｉ層ＡＬが剥離し、上方に変位すると、その上に形成した固定コンタクト電極ＦＣＥも上方に変位する。可動コンタクト電極ＭＣＥが所定量上方に変位しても、固定コンタクト電極が上方に変位しているので接点が閉じないことになる。接点を閉じるには過剰の電位が必要となる。何故、固定コンタクト電極領域において、ボンディング酸化膜に剥離が生じ、活性Ｓｉ層が上方に変位するのか考察した。

マイクロスイッチは、パッケージングのための工程やプリント基板に搭載するためのリフロー工程等で、２００℃〜３００℃の熱に曝される。金属は半導体より大きな熱膨張係数を有する。熱処理は、昇温工程、降温工程を伴う。昇温、降温に伴い、金属層に応力が生じるであろう。厚いメッキ電極においては、生じる応力も大きくなるであろう。

昇温時に金属層が膨張しようとすると、活性Ｓｉ層を上に凸の形に変形しようとする応力が生じるであろう。活性Ｓｉ層は、ボンディング酸化膜を介して支持Ｓｉ基板に押し付けられることになる。剥離の原因とはなりにくいであろう。降温時には、金属層が収縮しようとし、活性Ｓｉ層を下に凸の形に変形しようとする応力が生じるであろう。メッキ電極端部において、活性Ｓｉ層は上方に引っ張り上げられることになろう。アンダーカット領域に隣接する残存ボンディング酸化膜ＢＯＸ端部に応力が集中するであろう。この応力が大きければ、ボンディング酸化膜ＢＯＸにおいて剥離が生じることが考えられる。

メッキ構造体の下面とＢＯＸ層が除去されたアンダーカット領域がオーバーラップして（重なりを有して）いたり、近接していると、残存ボンディング酸化膜ＢＯＸ端部に応力が集中し、剥離を生じる確率が高くなると考えられる。

メッキ電極領域が矩形である場合、圧縮応力は、長辺に沿う方向で短辺に沿う方向より強くなると考えられる。強い応力が弱い応力に打ち勝って、メッキ電極は長辺に沿って上方にまくれ上がるように変形しようとすることが考えられる。短辺下方のボンディング酸化膜がサイドエッチでアンダーカットされており、アンダーカット領域に重なりを有して、または近接してメッキ電極が形成される場合、応力の集中がより強く生じると考えられる。

固定駆動電極ＦＤＥも、活性Ｓｉ層と結合するメッキ電極領域端部がスリットＳ近傍にあり、活性Ｓｉ層下のボンディング酸化膜端部と近接配置されている。しかし、固定駆動電極ＦＤＥ近傍では剥離が生じにくいようである。固定駆動電極のメッキ電極領域はスリットＳに沿う方向に長い矩形であり、メッキ電極領域の長辺がボンディング酸化膜端部近傍にある。上記のように考えると、この現象も説明できる。レイアウト上、メッキ電極領域が矩形近似可能で、その短辺がアンダーカット領域近傍にある場合にも、剥離を抑制できる構造を考える。

図６Ｂに示すように、メッキ電極領域を活性Ｓｉ層ＡＬ端から離して、ボンディング酸化膜ＢＯＸの十分内部に形成すれば、メッキ電極領域外部のボンディング酸化膜が活性Ｓｉ層ＡＬを支持基板ＳＳに結合し、応力の集中を緩和できるであろう。但しメッキ電極領域を活性Ｓｉ層ＡＬ端から離す分、無効面積を増加し、マイクロスイッチの小型化の要求に反する。

そこで本発明者らは、メッキ電極を形成する活性Ｓｉ層をスリットによって完全に取り囲まず、スリットを形成しない領域を残し、活性Ｓｉ層と周囲の活性Ｓｉ層とが連続する結合領域を残すことを思いついた。メッキ電極領域が周囲の固定部の活性Ｓｉ層と結合領域で結合すれば、強度が増し、剥離を抑制できるであろう。

図７Ａ，７Ｂは、第１の実施例によるマイクロスイッチの上面図及び断面図である。図５Ａ，５Ｂと比較すると、固定コンタクト電極ＦＣＥのメッキ電極領域右上部でスリットＳが分離され、結合領域ＴＢがメッキ電極領域と固定部の活性Ｓｌ層ＡＬを結合している。即ち、メッキ電極領域の活性Ｓｉ層は分離されず、結合領域ＴＢを介して、外部の活性Ｓｉ層に連続している。メッキ電極が圧縮応力を印加しても、固定部の活性Ｓｉ層に連続するメッキ電極領域の活性Ｓｉ層は上方への変位、剥離の発生に対する抵抗力が高くなる。

剥離が生じるのは、ボンディング酸化膜が除去されたキャビティ領域に隣接するメッキ電極領域のキャビティ領域側の辺であり、特に長方形のメッキ電極領域の短辺である。剥離を防止するためには、キャビティに隣接する辺近傍に結合領域を形成することが好ましい。例えば、長方形近似したとき、キャビティ側端部から直交する辺の長さの1／４以下の位置に結合領域を形成することが好ましい。長方形の短辺がキャビティに隣接する場合は、キャビティに隣接する辺から長辺の長さの１／４以内の領域に結合領域を設けるのが好ましいことになる。

本実施例の場合、結合領域ＴＢは高周波信号のメッキ電極領域と周囲の接地電位のメッキ電極領域とを接続することになり、直流成分における両メッキ電極領域間の完全な絶縁状態は破れる。但し、実際には、目的とする高周波帯域、例えば携帯電話用途の場合１０ＧＨｚ程度までで、必要な特性が満たされればよい。

図８Ａは、メカニカルスイッチの等価回路図である。実際に試作したスイッチの端子間容量に基づくモデルである。ポート１からポート２までの高周波線路に、メカニカルスイッチＭＳが接続されている。ポート１に接続された線路は、約０．１Ωの抵抗と約０．２１７ｎＨのインダクタンスを有し、結合領域ＴＢの存在により、接地との間に０．１１４ｐＦの容量と、Ｒ_sub1の結合抵抗との並列接続が形成される。メカニカルスイッチは、０と∞との抵抗値を切り替えるコンタクト抵抗Ｒ_contと容量Ｃ_contとの並列接続で近似できる。メカニカルスイッチとポート２との間の線路は、約０．２０３ｎＨのインダクタンスと約０．１Ωの抵抗との直列接続で近似され、接地との間には約０．１１ｐＦの容量と約５０ｋΩの抵抗との並列接続が形成されると近似できる。ポート２側は、完全にスリットで囲まれており、抵抗が高めになっている。５０ｋΩは、本デバイスが対象とする高周波領域にとっては完全絶縁に近い状態であるといってよい。

図８Ｂは、結合抵抗Ｒ_sub1をパラメータとして高周波信号の減衰をシミュレーションした結果を示すグラフである。横軸が周波数を単位ＭＨｚで示し、縦軸が減衰量を単位ｄＢで示す。結合領域の抵抗Ｒ_sub1をパラメータとして５０ｋΩ、１０ｋΩ、５ｋΩ、３ｋΩ、１ｋΩ、５００Ω、３００Ωと変化させた。上述のように、５０ｋΩは完全絶縁と見なせる値である。Ｒ_sub1が３ｋΩ以上であれば、ほぼ均一な特性が得られる。抵抗∞と見なせるＲ_sub1＝５０ｋΩと較べて、差は０．１ｄＢ以内である。従って、結合領域の抵抗は、３ｋΩ以上を満たすようにすればよい。

スリット幅が２μｍの場合、±５０％のバラツキを考慮して、スリット幅を３μｍとする。活性Ｓｉ層が抵抗率１００Ωｃｍ、厚さ３０μｍの場合、長さ（スリットの幅）３μｍとして、幅１５μｍの結合領域を２つ形成することができる。結合領域の幅をスリット幅の約１．５倍以上、より具体的には約５μｍ以上）とすれば、十分な強度が期待できるであろう。この場合、６箇所の結合領域を形成してもよいことになる。従って、結合領域の数は１つに限らない。

図９Ａは、固定コンタクト電極ＦＣＥのメッキ電極領域のキャビティに対向する辺とその対向辺に２つの結合領域ＴＢ１，ＴＢ２を設けた場合を示す。長方形の対向する短辺に１対の結合領域を形成することにより、メッキ電極から印加される応力に対する強度が向上するであろう。

図９Ｂは、高周波信号線路の固定コンタクト電極ＦＣＥ，可動コンタクト電極ＭＣＥの各メッキ電極領域に左右２つづつの結合領域ＴＢ１，ＴＢ２およびＴＢ３，ＴＢ４を形成した場合を示す。可動コンタクト電極の根元の活性Ｓｉ領域もキャビティに隣接し、その上にメッキ電極を形成する。剥離を生じる可能性がある。メッキ電極領域の活性Ｓｉ層が対向する２辺で固定部の活性Ｓｉ層に連続するので、応力に対する耐性がさらに向上するであろう。

図１０Ａは、図９Ａの結合領域に加え、さらに固定駆動電極のメッキ電極領域との間にも結合領域ＴＢ５を設けた場合を示す。この場合、結合領域は、高周波線路のメッキ電極領域と接地電極のメッキ電極領域及び固定駆動電極のメッキ電極領域とを接続することになる。応力に対する強度はさらに高めることができるであろうが、例えば４０Ｖの駆動電圧印加時のリーク電流が増加することになる。この場合も、並列抵抗の総計は３ｋΩ以上を満たすようにし、好ましくはより高めに、例えば５ｋΩ以上に、する。

図１０Ｂは、図１０Ａの配置にさらに固定駆動電極のメッキ電極領域と接地電極のメッキ電極領域との間にも結合領域ＴＢ６，ＴＢ７を設けた場合を示す。固定駆動電極と接地電極との間のリークは、高周波信号の劣化には直結しない。この場合も、並列抵抗の総計は３ｋΩ以上を満たすようにし、好ましくはより高めに、例えば５ｋΩ以上に、する。

上記実施例においては、スリット形成によりカンチレバーＣＬの変位自由度が生じてから、犠牲膜堆積、犠牲膜加工、メッキ、犠牲膜除去、洗浄等の工程が存在する。カンチレバーに変位自由度が生じているので、犠牲膜の成膜中に可動部が沿った状態で保持されてしまう、洗浄中の衝撃で可動部に破損を生じやすい等の問題が発生しうる。

図１１Ａ，１１Ｂは、第２の実施例によるＭＥＭＳスイッチを示す平面図である。図１１Ａは、犠牲膜除去、洗浄を終えた状態を示す上面図である。第１の実施例と比較すると、固定コンタクト電極ＦＣＥのメッキ電極領域と接地のメッキ電極領域との間に形成された結合領域ＴＢ１に加え、可動コンタクト電極ＭＣＥの形成されたカンチレバー領域ＣＬと固定部の接地領域との間にサポートビームＳＢが形成されている。サポートビームＳＢはカンチレバーＣＬの可動部と対向する固定部の間を結合する。カンチレバーＣＬの自由度を拘束することにより、上記の問題は回避できる。

サポートビームＳＢは、例えば幅が２μｍと細くしておき、ＲＩＥ時にはプロセスガス圧を高めにするなどの調整により等方的なエッチング性を高めにすることで、活性Ｓｉ層を十分残しながら、サポートビームＳＢを除去することができる。結合領域ＴＢの幅は、例えば幅５μｍとサポートビームの幅より太くし、ＳＦ_６によるＲＩＥの時間を制御することにより、サポートビームＳＢは除去されて、可動部を変位可能にしつつ、結合領域ＴＢは、例えば幅２μｍが、残るようにする。

例えば、サポートビームＳＢの幅は結合領域の半分以下であり、典型的には約２μｍとし、結合領域ＴＢの幅は約５μｍ以上とする。図１１Ａでは、１箇所のサポートビームＳＢのみを示した。

図１１Ｂは、サポートビームＳＢを設けたスリットＳ形成後のＳＯＩチップ全体の配置例を示す平面図である。斜線部は既にボンディング酸化膜ＢＯＸが除去されたキャビティ領域を示す。カンチレバーＣＬの上下対向辺に２箇所づつサポートビームＳＢ１，ＳＢ２およびＳＢ３，ＳＢ４が形成され、左辺に２箇所サポートビームＳＢ５，ＳＢ６が形成されている。サポートビームは後にＲＩＥ等で除去するので、除去工程を考慮し、上方が立体電極で覆われず、広く開放された位置に形成することが好ましい。サポートビームの数は、必要に応じて、増減できる。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、カンチレバーの形状は長方形の短辺に沿って２本の可撓性ビームＦＢが形成されたものに限らない。キャビティに隣接する電極領域を囲むように、活性Ｓｉ層を貫通するスリットを形成する構造を有するものであれば、結合領域は有効であろう。

図１３は、変形例の１例を示す。スリットＳが１本の可撓性ビームＦＢに支持された横長矩形のカンチレバーＣＬを画定し、斜線部にキャビティが形成される。カンチレバーＣＬの長さ方向に可動駆動電極ＭＤＥと可動コンタクト電極ＭＣＥが形成される。固定駆動電極ＦＤＥと固定コンタクト電極ＦＣＥのメッキ電極領域を取り囲むように、活性Ｓｉ層を貫通するスリットＳが形成される。固定コンタクト電極のメッキ電極領域左辺中央よりの位置に結合領域ＴＢ１１，ＴＢ１２が残され、剥離を抑制している。

その他、例示した材料、数値は、制限的意味を有さない。種々の変形、置換、改良、組み合わせ等が可能なことは、当業者に自明であろう。

ＳＳ 支持シリコン基板、
ＢＯＸ ボンディング酸化（酸化シリコン）膜、
ＡＬ 活性シリコン層、
ＭＣＥ 可動コンタクト電極、
ＭＤＥ 可動駆動電極、
ＦＤＥ 固定駆動電極、
ＦＣＥ 固定コンタクト電極、
Ｓ スリット、
ＣＬ カンチレバー、
ＬＥ 下部電極、
ＦＢ 可撓性ビーム、
ＴＨ 貫通孔、
ＣＶ キャビティ、
ＰＲ フォトレジスト、
ＳＦ 犠牲膜、
ＳＤ シード層、
ＰＬ メッキ層、
ＴＢ 結合領域、
ＧＮＤ 接地、
ＳＢ サポートビーム。

Claims (7)

1. 支持Ｓｉ基板上に活性Ｓｉ層がボンディング酸化膜を介して結合されたＳＯＩ基板と、
   前記活性Ｓｉ層を貫通するスリットによって、接続端部以外が前記活性Ｓｉ層内に画定されたカンチレバー領域と、
   前記カンチレバー領域下方のボンディング酸化膜を除去することにより、前記カンチレバー領域と前記支持Ｓｉ基板との間に形成されたキャビティと、
   前記キャビティを取り囲む前記ＳＯＩ基板の固定部と、
   前記カンチレバー領域上から前記接続端部上を介して前記固定部上に延在する可動コンタクト電極と、
   前記活性Ｓｉ層を貫通するスリットによって前記固定部に画定された、前記キャビティに隣接する前記活性Ｓｉ層の第１領域と、前記第１領域に隣接する前記活性Ｓｉ層の第２領域であって、前記第１領域のキャビティに隣接する辺の近傍で、前記スリットを横断する前記活性Ｓｉ層の結合領域によって結合された第１領域と第２領域と、
   前記活性Ｓｉ層の第１領域上に支持され、前記可動コンタクト電極上方にオーバーハングする部分を有する固定コンタクト電極と、
   を有するＭＥＭＳスイッチ。
2. 前記第２領域の活性Ｓｉ層上に配置された接地電極をさらに有する請求項１記載のＭＥＭＳスイッチ。
3. 前記結合領域の直列抵抗は３ｋΩ以上である請求項１または２記載のＭＥＭＳスイッチ。
4. 前記キャビティから前記固定部に入り込んで、前記ボンディング酸化膜が除去されたアンダーカット領域をさらに有し、
   前記結合領域は、前記第１領域の前記アンダーカット領域側で、前記キャビティ側端部から１／４の幅領域内に配置された部分を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
5. 前記結合領域の前記スリットに沿う方向の幅は、前記スリットの幅より大きい請求項１〜４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
6. 前記カンチレバー領域が、第１、第２の可撓性ビームを有する横長形状を有し、前記可動コンタクト電極が前記第１の可撓性ビーム上に配置された部分を有し、
   前記カンチレバー領域において前記可動コンタクト電極と並列に配置され、前記カンチレバー領域上から前記第２の可撓性ビーム上を通って前記固定部上に延在する可動駆動電極と、
   前記カンチレバー領域の前記活性Ｓｉ層を貫通して分布形成された複数の貫通孔と、
   前記キャビティを挟んで対向配置された、前記固定部の活性Ｓｉ層の第３領域及び第４領域と、
   前記第３領域および第４領域に支持され、前記可動駆動電極と立体的に交差するブリッジ部を有する固定駆動電極と、
   をさらに有する請求項１〜５のいずれか１項に記載のＭＥＭＳスイッチ。
7. 支持Ｓｉ基板上に活性Ｓｉ層がボンディング酸化膜を介して結合されたＳＯＩ基板の活性Ｓｉ層内に接続端部を有するカンチレバー領域および前記カンチレバー領域に隣接する第１領域と、前記第１領域に隣接する第２領域を含み、前記カンチレバー領域を取り囲む固定部を画定し、
   前記カンチレバー領域の前記活性Ｓｉ層を貫通する複数の貫通孔を形成し、
   前記貫通孔を介して、前記カンチレバー領域下の前記ボンディング酸化膜をエッチング除去して、前記カンチレバー領域と前記支持Ｓｉ基板との間にキャビティを形成し、
   前記カンチレバー領域上から前記接続端部上を介して前記固定部上に延在する可動電極を形成し、
   前記接続端部以外の前記カンチレバー領域および前記第１領域を画定するスリットを前記活性Ｓｉ層を貫通して形成すると共に、前記スリットを横断して、前記第１領域の前記キャビティに隣接する辺の近傍で、前記第１領域を隣接する前記第２領域に結合する結合領域、及び前記カンチレバー領域を前記固定部の隣接領域に結合するサポートビームを残し、
   前記第１領域上に支持され、前記可動電極上方にオーバーハングする部分を有する固定電極を形成し、
   前記サポートビームを除去すると共に、前記結合領域は残す、
   ＭＥＭＳスイッチの製造方法。
   

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