JP6084974B2 - Ｍｅｍｓデバイス用の結合脚及びセミフレキシブルなアンカリング - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、一般的に、ＭＥＭＳデバイスに関し、及びＭＥＭＳデバイスをアンカー固定してスイッチング要素が共にスイッチングするのを確保するための設計に関する。

共にスイッチングする必要のあるＭＥＭＳデバイスアレイを作製する場合、デバイスの加工におけるバリエーションは、異なるスイッチ用の異なるしきい電圧に帰着する。加工のバリエーションは、エッチング工程のリソグラフィーの変動により横寸法を変更することができる。蒸着における変動は、材料の異なる厚さに帰着することができ、ランディング（landing）領域の蒸着における変動は、異なるスイッチの下の異なる粗さ値に帰着することができ、これは異なる量の付着あるいはスティクション（stiction）に帰着する。デジタル可変コンデンサを作製する場合、大きな静電容量変化を得るために広面積デバイスをスイッチングすることを望むかもしれない。広面積下でエッチング除去（etch out）するのは難しく、また、広面積デバイスを非常に厚くせずにそれらを支持するのは難しい。したがって、多くの小さなコンデンサーＭＥＭＳスイッチを作製し、それらを共にスイッチングするのが有利である。これに関する問題は、上で述べた変動が異なるデバイス用の異なる動作過電圧に帰着するということである。

加えて、ＭＥＭＳ可変コンデンサは、少なくとも一つが可動である（また、膜と呼ばれる）２つのプレート（すなわち電極）を使用して形成することができる。２つの電極が共により接近するようになると、静電容量は増加する。可動電極は、柔軟な機械的支持体によってアンカー固定される。支持体の機械的剛性を克服し静電容量を変更するように膜を移動させるために静電力を使用することができる。

機械的支持体の剛性は、機械的応力に非常に敏感である。したがって、従来の機械的支持体用の動作電気条件は大きな変動を受ける場合があり、電圧分布を広げ、信頼性を低下させる。これは、製造中に応力をコントロールすることによって部分的に修正することができる。しかしながら、応力をコントロールすることは、必ずしも容易な作業ではない。

したがって、上述の応力の問題に取り組み、かつスイッチアレイを共にスイッチングするのを確保する、ＭＥＭＳデバイス用の技術における必要性がある。
［発明の要約］

本発明は、一般的に、アンカー領域において、及び／又は片持ばりの中央部で連結される脚によって共に連結される複数の片持ばりを有するＭＥＭＳデバイスに関する。その脚は、各片持ばりが同じ電圧で高周波電極の上方で移動／リリースすることができることを保証する。全ての片持ばりが共に移動するように、アンカー領域連結は、片持ばりのすべてのセクションにおいて機械的剛性を調和させる。

一つの実施形態では、ＭＥＭＳデバイスは、第１片持ばりと、第２片持ばりと、第１片持ばり及び第２片持ばりの両方に連結された一もしくは複数の脚で、第１片持ばり及び第２片持ばりの両方から間隔を置いたアンカーエリアにも連結される脚と、を備える。

図１Ａは４つのＭＥＭＳ片持ばりデバイスを示す。 図１Ｂは４つのＭＥＭＳ片持ばりデバイスを示す。 図２は、結合脚を利用して４つの片持ばりがどのように移動可能で、互いにどのように援助可能かを示す。 図３Ａは、スタブのない設計に関してシミュレートされたゆがみである。 図３Ｂは、スタブがある設計に関してシミュレートされたゆがみである。 図４は、平行なスロットを有するセミフレキシブルなアンカーの実施１を示す。 図５は、実施１に関して黒区域でマークした補剛（stiffening）エンドスタブの可能な場所を示す。 図６は、後の平坦度レベルを増すためにダミーのフィルを含む、延在した平行なスロットを有するセミフレキシブルなアンカーの実施２を示す。 図７は、実施２に関してエンドセクションスタブ用の他の可能な形態を示す。 図８は、直角で平行なスロットを有するセミフレキシブルなアンカーの実施３を示す。 図９は、実施３に関して補剛エンドスタブの可能な場所を示す。 図１０は、ダミーの金属を除去し別のスロットを加えて、実施２に基づいたセミフレキシブルなアンカーの実施４を示す。 図１１は、区域でマークされた実施４に関する補剛エンドスタブの可能な場所を示す。

本発明の上述の特徴を詳細に理解することができるように、上で簡単に要約した発明のより詳細な記述が実施形態を参照して行うことができ、その内のいくつかは添付の図面に図示されている。しかしながら、添付図面はこの発明の典型的な実施形態のみを説明するものであり、よって発明が他の同様の実施形態を認めるために、発明の範囲を限定するように考えられるべきではないということに注意すべきである。

理解を容易にするために、図に共通の同一の要素を指定するため、可能な限り同一の参照符号を使用している。一つの実施形態に開示された要素は、特記することなく他の実施形態においても有利に利用することができると考える。

本発明は、一般的に、アンカー領域において、及び／又は片持ばりの中央部で連結される脚によって共に連結される複数の片持ばりを有するＭＥＭＳデバイスに関する。その脚は、各片持ばりが同じ電圧で高周波電極の上方で高周波電極から移動しリリースすることができることを保証する。全ての片持ばりが共に移動するように、アンカー領域連結は、片持ばりのすべてのセクションにおいて機械的剛性を調和させる。

共にスイッチングしないスイッチング要素アレイの問題を解決するために、小さなＭＥＭＳ片持ばり静電容量スイッチの列は、一つのものが動いたとき、それに隣接したものも動かされる力が存在するように、共に機械的に結ぶことができる。そのようなデバイスの全体のラインは、このような形態でつなぐことができる。

片持ばりのアレイは、同じ空胴に収容することができる。片持ばりを共に接続することによって、付着による問題のためアレイの一つがスイッチングしない可能性が低減される。アレイの全てのものが、付着の差又は加工あるいは各スイッチの変動によって引き起こされる変化を低減する類似の電圧でスイッチングすることもまた確保される。

スイッチのアレイの全てが共にスイッチングすることを確保することにいくつかの利点がある。一つの利点は、アレイ用の動作過電圧における変動が低下するということである。別の利点は、より均一のスイッチングがアレイからアレイまであるということである。追加的に、そのアレイと同じ面積の広面積ＭＥＭＳデバイスの場合と比較して、そのアレイの下でより速い犠牲的なエッチングが達成されるかもしれない。デバイスが共につなげられない場合には、いくつかのデバイスは、それらの隣接のものよりもスイッチングするためにより大きな電圧を必要とするだろう。即ち、これらのデバイスは、静電電圧を設けるために同じ金属パッドを上方あるいは下方に共有するので、早めの（early）スイッチングを有するデバイスは過電圧にさらされるだろう。過電圧は、特にその早めのスイッチングデバイスに関して寿命の低下に結びつくかもしれない。したがって、デバイスの結合はデバイス寿命を増すであろう。

図１Ａ及び図１Ｂは、４つのＭＥＭＳ片持ばりデバイスを示す。領域１は、上部片持ばりの右上側及び左上側を持ち上げる２つの脚を示す。ＭＥＭＳ片持ばり２は、プルダウン電極を真下に有し、上方にプルアップ電極を有することができる。領域３は、片持ばり２及び片持ばり４を連結する結合脚領域を示す。片持ばり２、４の両方は、右側の脚５を共有する。これは、他の脚とともに他方側に反映される。脚は、６で示された領域でアンカー固定される。

図１Ｂにおいて、破線は、ＭＥＭＳデバイスのアレイの下のパッドの端を示す。この例では、電極７は、ＲＦ可変コンデンサ用の絶縁体で覆われてもよい高周波電極である。ＭＥＭＳデバイスがアースされるとき、高周波電極とアースされたＭＥＭＳデバイスとの間の静電容量は、電極８に電圧をかけることにより変更することができる。片持ばり２、４が高周波電極７に接近するように電極８は片持ばり２、４のアレイを引っ張り、よって高周波電極７からグランドへの静電容量は増加する。アレイ上方のプルアップ電極は、片持ばり２、４を空胴の天井（図示せず）へ引っ張るために使用される。このことは、高周波電極７に関して最小の静電容量を提供する。図２は、結合脚を利用して、４つの片持ばりがどのように移動して互いに援助可能かを示している。

セミフレキシブルなアンカリング機構に関して、ここで示したセミフレキシブルなアンカリング機構は、動作電圧を機械的応力（残留、温度など）にあまり敏感ではなく、同時に動作電圧を低下する方法を提供する特別な様式で配列された機械的なデカップリングループを使用する。ここで示された２つの追加の設計特微は、膜に沿った均一のゆがみを得て、よって、動いている膜の等しく分配された衝撃力を達成する可能性を加え、ＭＥＭＳデバイスの信頼度を向上させる。これらの特徴は、膜に沿って異なる場所に置くことができる機械的リンク、及び膜のすべてのセクションにおいて機械的剛性を調和させるエンドセクションスタブである。

ここで示されたセミフレキシブルなアンカリング機構を使用することによって、機械的な取付具の剛性を低下することにより、より低い動作電圧を達成すること、及び応力（残留、温度等で引き起こされる）の影響を減じることが達成可能であり、それにより、最大静電容量に達するのにより少ない過電圧でよく、よってデバイスの信頼度を改善する。

膜に沿ったエンドスタブ及び結合の追加は、次のものを提供する。即ち、エンドスタブに関して均一なもののように同調して移動させて、膜体に沿った機械的剛性を調和させること、及び膜に沿った結合に関して単一の均一なもののようにリンクがスイッチを動かすこと、を提供する。さらに、均一の変位は、衝突場所（impact locations）での局所的なダメージポイントを減じることによってデバイスの信頼度を改善し、ＲＦ効率は電流の再分配により改善される。

ここで論じられるものは、以下に示される４つのタイプのセミフレキシブルなアンカー固定機構であり、これらは異なった形態を有し、異なる剛性を設けている。セミフレキシブルなアンカーの異なるセクションの長さ及び幅を調整することにより、この剛性を変更することが可能である。より長くより狭いリンクは、膜の剛性を低くし、したがって動作電圧を低下させる。

柔軟なアンカーは、また応力解放機構として働く。引張あるいは圧縮応力が機械的構造に影響する場合、このセミフレキシブルなアンカーは、膜の本体の形状に影響することなく応力解放ループを提供し、したがって膜の均一な動作を可能にする。

図４、図６、図８及び図１０に示される４つの実施のすべては、可能なＭＥＭＳ可変コンデンサの平面図を示し、これは２つの「プルイン電極」（制御電極とも呼ばれる）、「プルイン電極」に平行に配置される一つの「ＲＦ」電極、及び、膜を備え、膜は「セミフレキシブルなアンカー」及び下部金属層にこの膜を取り付ける「アンカー」を含んでいる。

エンドスタブ
図３Ａ及び図３Ｂは、一定で均一な圧力が作用した場合の、膜のゆがみのシミュレーション結果を示す（図３Ａ及び図３Ｂは、単に膜の中心に沿った対称境界条件を使用してシミュレートされた半分のみのモデルを示す）。図３Ａでは、補剛（stiffening）スタブはなく、膜のエンドセクションは中央セクションよりも大きくゆがむ。図３Ｂでは、スタブが加えられ、それらの寸法は、均一なゆがみを得るためにシミュレーションによって最適化した。異なるセミフレキシブルなアンカー機構が、スタブの異なる配置及び寸法によって使用することができる。以下の各実施の記述内にオプションを示す。

実施１−アンカーにおける平行スロット
セミフレキシブルなアンカーを生成するために、アンカーに平行したスロットが図４に示される実施において使用される。スロットの使用によって剛性が減じられ（充満幅（full-width）アンカーと比較して）、スロット／ビーム／リンクの数及び寸法を変更して、それを調整することができる。図４は、また膜結合の実施も示しており、この場合、膜結合は高周波電極の上部に位置する。結合リンクの幅が広いほど、デバイスはより均一に作動すべきであり、応力の問題は存在しないと考えられる。

この形態は、単一構造のように全ＲＦ部を引き上げるという利点を有し、最大静電容量においてより良い分配（distributions）を達成することを支援することができるだろう。これはまた、全てのセクションが互いに助けになることができるので、より良いホットスイッチ（制御電圧が除かれたとき、最大静電容量から膜を解放する高周波電圧）が提供されるかもしれない。

膜のエンドセクションにおける補剛スタブに関して、図４は、破線円内にこの特別の設計のために最適化されたスタブを示す。図５では、スタブに関する他の可能な場所が示されている。任意の組み合わせもまた使用可能であろう。エンドセクションにおける補剛スタブの主な目的は、このエンドセクションのビームの剛性を増加させることである。これは、このエンドセクションがリンクの中心線に沿って対称境界条件を強いる隣接セクションを有しないので、必要である。標準リンクにおける対称境界条件は、柔軟なアンカーのより大きな剛性に帰着する。最後のセクションの剛性を増加させることによって、その柔軟なアンカーの剛性は、内部セクションの柔軟なアンカーの剛性に一致する。

実施２−アンカーにおける拡張された平行スロット
これは、図４に示す実施に類似するが、より低い剛性、及びよってより低い動作電圧を得るために、より長いリンクする棒（linking bar）（二重円の内部に示される）を有する。その後の犠牲層の蒸着（sacrificial depositions）の平坦度を改善するために、リンクを拡張することにより生成された隙間は、ダミーのピース（pieces）で満たされる。この場合、膜結合が、ＲＦの上部以外の場所で起こる。この場合、隣接セクションが互いをさらに機械的に助けるので、ホットスイッチ電圧はさらに改善され、また、高周波電極における電圧により、高周波電極に接触する領域が減るので、それぞれのセクションを引き下げる静電力は減じられる。膜リンクの場所及び寸法は、膜の長さ方向において考えられる応力問題を考慮して最良の機械的性能を得るために変更可能である。膜の端部での機械的なリンクにおける補剛スタブがまた図６に示されており、これは最後のリンクを残りのリンク（破線円に２つのみが示されている）よりも幅を広く（より硬い）している。エンドセクションスタブに関する他の可能な形態が図７に示されている。これらのスタブは、個々にあるいは組み合わされて使用可能である。

実施３−アンカーにおける平行及び直角のスロット
さらに低い剛性を有するセミフレキシブルなアンカリング機構の異なる実施が図８に示されている。この設計は、図４に示されるものに基づき、ここでは柔軟なセクションが柔軟なアンカー設計（二重円で示される）に加えられる。これらの特別なリンクは、膜がゆがんだときに曲がり、低下された機械的剛性を生成する。この形態は、実施１及び実施２で示すものよりも応力の問題に、より敏感である。図８に示される実施では、そのように加えられたものにリンクする膜はなく、膜セクション間のリンクは、脚の両側におけるセクションの膜に接続する追加の「脚」である。膜の端での機械的なリンクにおける補剛スタブがまた図８に示されている（破線円）。エンドセクションスタブに関する他の可能な形態が図９に示されている。これらのスタブは、個々にあるいは組み合わされて使用可能である。

実施４−アンカーにおける二重の延在した平行スロット
図１０に示される実施は実施２の改訂であり、ここでダミーの金属充填は別のスロットで取り替えられる。このことは、動作電圧を低下させる。図１１は、区域でマークされた、実施４に関する補剛（stiffening）エンドスタブの可能な場所を示す。

膜結合に関して、図４（ＲＦの上）、図６（ＲＦ以外の場所）、及び図８（柔軟なアンカーが膜に取り付けられている以外に結合は無い）において、３つの異なる膜結合が示されている。設計可能なより多くの変更が存在する。即ち、Ｘ個の膜セクション毎にリンクする、Ｘ個の膜セクション毎に「ジグザグ」形態にて、及び、Ｘ個の膜セクション毎に異なる位置にて、である。

上述の内容は本発明の実施形態に向けられているが、本発明の他の及びさらなる実施形態がその基本的な範囲から外れることなく工夫されてもよく、その範囲は、以下の請求範囲によって決定される。

Claims (20)

1. 第１片持ばりと、
   第２片持ばりと、
   第１片持ばり及び第２片持ばりの両方に連結された一もしくは複数の脚と、ここで一もしくは複数の脚は、また、第１片持ばり及び第２片持ばりの両方から間隔をあけたアンカーエリアに連結される、
   を備えたＭＥＭＳデバイス。
2. 第１片持ばり及び第２片持ばりの両方は、高周波電極及び一もしくは複数の第２電極の上方に配置される、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
3. 一もしくは複数の脚は、高周波電極に垂直に延在する、請求項２に記載のＭＥＭＳデバイス。
4. 第１片持ばりと、
   第２片持ばりと、
   第１片持ばり及び第２片持ばりの両方に連結された一もしくは複数の脚と、
   を備え、
   ここで一もしくは複数の脚は、また、第１片持ばり及び第２片持ばりの両方から間隔をあけたアンカーエリアに連結され、
   第１片持ばり及び第２片持ばりの両方は、高周波電極及び一もしくは複数の第２電極の上方に配置され、
   一もしくは複数の脚は、高周波電極に垂直に延在し、
   一もしくは複数の脚は、第１片持ばりと第２片持ばりとの間に延在する第１脚と、第１脚からアンカーエリアへ延在する第２脚とを備え、第１脚は、高周波電極に平行であり、第２脚は、高周波電極に垂直である、
   ＭＥＭＳデバイス。
5. 上記アンカーエリアは、それを通って延在する複数のスロットを有する、請求項４に記載のＭＥＭＳデバイス。
6. アンカーエリアは、対応するスロットに隣接する一もしくは複数のリンクを備える、請求項５に記載のＭＥＭＳデバイス。
7. アンカーエリアは、一もしくは複数の補剛エンドスタブをさらに備える、請求項６に記載のＭＥＭＳデバイス。
8. 上記補剛エンドスタブは、第１脚と平行に延在し、リンクよりも大きな長さを有する、請求項７に記載のＭＥＭＳデバイス。
9. リンクは、第２脚と平行な方向に延在する第１長さを有し、アンカーエリアは、第２脚と平行な方向に延在し第１長さよりも大きな第２長さを有する一もしくは複数の拡張リンクをさらに備える、請求項８に記載のＭＥＭＳデバイス。
10. スロットは、隣接する補剛エンドスタブ間に存在する、請求項９に記載のＭＥＭＳデバイス。
11. 第１脚は、高周波電極の上方に配置される、請求項１０に記載のＭＥＭＳデバイス。
12. 第１脚は、一もしくは複数の第２電極の上方に配置される、請求項１０に記載のＭＥＭＳデバイス。
13. 一もしくは複数の脚は、第１片持ばりと第２片持ばりとの間に延在する第１脚と、第１脚からアンカーエリアへ延在する第２脚とを備える、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
14. 上記アンカーエリアは、それを通って延在する複数のスロットを有する、請求項１３に記載のＭＥＭＳデバイス。
15. アンカーエリアは、対応のスロットに隣接する一もしくは複数のリンクを備える、請求項１４に記載のＭＥＭＳデバイス。
16. アンカーエリアは、一もしくは複数の補剛エンドスタブをさらに備える、請求項１５に記載のＭＥＭＳデバイス。
17. 第１片持ばりと、
    第２片持ばりと、
    第１片持ばり及び第２片持ばりの両方に連結された一もしくは複数の脚と、
    を備え、
    ここで一もしくは複数の脚は、また、第１片持ばり及び第２片持ばりの両方から間隔をあけたアンカーエリアに連結され、
    一もしくは複数の脚は、第１片持ばりと第２片持ばりとの間に延在する第１脚と、第１脚からアンカーエリアへ延在する第２脚とを備え、
    上記アンカーエリアは、それを通って延在する複数のスロットを有し、
    アンカーエリアは、対応のスロットに隣接する一もしくは複数のリンクを備え、
    アンカーエリアは、一もしくは複数の補剛エンドスタブをさらに備え、
    上記補剛エンドスタブは、第１脚と平行に延在しリンクよりも大きな長さを有する、
    ＭＥＭＳデバイス。
18. 上記リンクは、第２脚と平行な方向に延在する第１長さを有し、アンカーエリアは、第２脚と平行な方向に延在し第１長さよりも大きな第２長さを有する一もしくは複数の拡張リンクをさらに備える、請求項１７に記載のＭＥＭＳデバイス。
19. スロットは、隣接する補剛エンドスタブ間に存在する、請求項１８に記載のＭＥＭＳデバイス。
20. アンカーエリアは、第１長さを有する複数のリンクをさらに備え、複数のエンドスタブは第１長さよりも大きな第２長さを有する、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。

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