JPH0917300A - 微細電気機械スイッチ - Google Patents
微細電気機械スイッチInfo
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- JPH0917300A JPH0917300A JP8082436A JP8243696A JPH0917300A JP H0917300 A JPH0917300 A JP H0917300A JP 8082436 A JP8082436 A JP 8082436A JP 8243696 A JP8243696 A JP 8243696A JP H0917300 A JPH0917300 A JP H0917300A
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- switch
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- H01H59/00—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
- H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- H01H1/00—Contacts
- H01H1/12—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage
- H01H1/14—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage by abutting
- H01H1/20—Bridging contacts
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ギガヘルツ周波数においてオン状態とオフ状
態との間に大きな範囲を有しかつ高い電気的分離および
低い挿入損でＤＣからＲＦ周波数まで機能するスイッチ
を提供する。 【解決手段】 微細電気機械ＲＦスイッチ（１０）は片
持アクチュエータアームとして懸垂式微細梁を用いて基
板上に製造される。アンカー構造から、片持アームは基
板上にマイクロストリップを含む接地線とギャップを有
する信号線との上に延在する。片持アームの下面上にア
ンカーから離れて形成された金属接触部は信号線ギャッ
プに面して位置づけられる。アーム上の電極は接地線上
方にキャパシタ構造を形成する。キャパシタ構造は、構
造上の質量とスイッチ動作中のスクィーズ膜減衰効果と
を低減するために、上部電極とアームに延びる穴のグリ
ッドを含む。スイッチは上部電極上の電圧の印加によっ
て動作し、それによって静電力が接地線の方にキャパシ
タ構造を引きつけ、金属接触部が信号線のギャップを閉
じる。
態との間に大きな範囲を有しかつ高い電気的分離および
低い挿入損でＤＣからＲＦ周波数まで機能するスイッチ
を提供する。 【解決手段】 微細電気機械ＲＦスイッチ（１０）は片
持アクチュエータアームとして懸垂式微細梁を用いて基
板上に製造される。アンカー構造から、片持アームは基
板上にマイクロストリップを含む接地線とギャップを有
する信号線との上に延在する。片持アームの下面上にア
ンカーから離れて形成された金属接触部は信号線ギャッ
プに面して位置づけられる。アーム上の電極は接地線上
方にキャパシタ構造を形成する。キャパシタ構造は、構
造上の質量とスイッチ動作中のスクィーズ膜減衰効果と
を低減するために、上部電極とアームに延びる穴のグリ
ッドを含む。スイッチは上部電極上の電圧の印加によっ
て動作し、それによって静電力が接地線の方にキャパシ
タ構造を引きつけ、金属接触部が信号線のギャップを閉
じる。
Description
【０００１】
【技術分野】この発明は、微細電気機械システム（micr
o electromechanical system（ＭＥＭＳ））に関し、特
に、ＤＣから少なくとも４ギガヘルツまでの信号周波数
で機能する微細に機械加工された電気機械ＲＦスイッチ
に関する。
o electromechanical system（ＭＥＭＳ））に関し、特
に、ＤＣから少なくとも４ギガヘルツまでの信号周波数
で機能する微細に機械加工された電気機械ＲＦスイッチ
に関する。
【０００２】
【発明の背景】電気スイッチは、信号経路指定装置、イ
ンピーダンス整合ネットワーク、および調整可能利得増
幅器を含む多くの電気通信アプリケーション用のマイク
ロ波およびミリメートル波集積回路（ＭＭＩＣ）におい
て広く用いられている。先行技術は一般的に、たとえば
ＧａＡｓ ＭＥＳＦＥＴおよびＰＩＮダイオードなどの
複合固体スイッチに依存している。しかしながら、トラ
ンジスタを用いる従来のＲＦスイッチは典型的には、低
い破壊電圧（たとえば３０Ｖ）、比較的高いオン抵抗
（たとえば０．５Ω）、および比較的低いオフ抵抗（た
とえば１００メガヘルツで５０ｋΩ）を与える。信号周
波数がおよそ１ギガヘルツを超えると、固体スイッチは
「オン」状態（すなわち閉回路）では大きな（典型的に
は１ｄＢのオーダの）挿入損を受け、「オフ」状態（す
なわち開回路）では質の良くない（典型的には−３０ｄ
Ｂよりひどい）電気的分離を受ける。
ンピーダンス整合ネットワーク、および調整可能利得増
幅器を含む多くの電気通信アプリケーション用のマイク
ロ波およびミリメートル波集積回路（ＭＭＩＣ）におい
て広く用いられている。先行技術は一般的に、たとえば
ＧａＡｓ ＭＥＳＦＥＴおよびＰＩＮダイオードなどの
複合固体スイッチに依存している。しかしながら、トラ
ンジスタを用いる従来のＲＦスイッチは典型的には、低
い破壊電圧（たとえば３０Ｖ）、比較的高いオン抵抗
（たとえば０．５Ω）、および比較的低いオフ抵抗（た
とえば１００メガヘルツで５０ｋΩ）を与える。信号周
波数がおよそ１ギガヘルツを超えると、固体スイッチは
「オン」状態（すなわち閉回路）では大きな（典型的に
は１ｄＢのオーダの）挿入損を受け、「オフ」状態（す
なわち開回路）では質の良くない（典型的には−３０ｄ
Ｂよりひどい）電気的分離を受ける。
【０００３】電気通信アプリケーション用のスイッチに
は、ＲＦ方式（regime）のオン状態インピーダンスとオ
フ状態インピーダンスとの間に大きなダイナミックレン
ジが必要である。微細機械加工技術を用いて製造された
ＲＦスイッチは従来のトランジスタよりも大型の機械ス
イッチのように機能するが、嵩がなく高いコストもかか
らないために有利であり得る。しかしながら、接触電極
が互いに近接するために、機械加工された集積ＲＦスイ
ッチを実現するのは難しい。大きなオフ／オンインピー
ダンス比を達成するには、スイッチがオン（閉回路）の
ときには最小の抵抗を伴う良好な電気的接触が必要にな
り、スイッチがオフ（開回路）のときには低い寄生容量
結合が必要になる。ＲＦ方式では、非常に電極が近接し
ていると、スイッチがオフ状態のとき信号が接触電極間
で結合されてしまい、結果として低いオフ状態抵抗を生
む。１ギガヘルツよりも上の周波数でオンからオフへの
インピーダンスのダイナミックレンジが欠けていること
が、従来のトランジスタベースのスイッチならびに既知
の小型電気機械スイッチおよび継電器の大きな制限点で
ある。このため、電気通信システムにおいて、ＤＣから
少なくとも４ギガヘルツまでの信号周波数においてオン
からオフに大きなダイナミックインピーダンスレンジを
与える微細電気機械スイッチが必要である。
は、ＲＦ方式（regime）のオン状態インピーダンスとオ
フ状態インピーダンスとの間に大きなダイナミックレン
ジが必要である。微細機械加工技術を用いて製造された
ＲＦスイッチは従来のトランジスタよりも大型の機械ス
イッチのように機能するが、嵩がなく高いコストもかか
らないために有利であり得る。しかしながら、接触電極
が互いに近接するために、機械加工された集積ＲＦスイ
ッチを実現するのは難しい。大きなオフ／オンインピー
ダンス比を達成するには、スイッチがオン（閉回路）の
ときには最小の抵抗を伴う良好な電気的接触が必要にな
り、スイッチがオフ（開回路）のときには低い寄生容量
結合が必要になる。ＲＦ方式では、非常に電極が近接し
ていると、スイッチがオフ状態のとき信号が接触電極間
で結合されてしまい、結果として低いオフ状態抵抗を生
む。１ギガヘルツよりも上の周波数でオンからオフへの
インピーダンスのダイナミックレンジが欠けていること
が、従来のトランジスタベースのスイッチならびに既知
の小型電気機械スイッチおよび継電器の大きな制限点で
ある。このため、電気通信システムにおいて、ＤＣから
少なくとも４ギガヘルツまでの信号周波数においてオン
からオフに大きなダイナミックインピーダンスレンジを
与える微細電気機械スイッチが必要である。
【０００４】
【発明の概要】この発明は、ギガヘルツ信号周波数を扱
い、一方で「オン」状態において最小の挿入損および
「オフ」状態において質の良い電気的分離を維持できる
微細に製造された小型電気機械ＲＦスイッチを含む。好
ましい実施例では、ＲＦスイッチは、半絶縁性ガリウム
砒素（ＧａＡｓ）基板上に製造され、片持梁式のアクチ
ュエータアームとして懸垂式二酸化シリコン微細梁を備
える。片持アームは、基板上に金属マイクロストリップ
によって形成された接地線およびギャップを作られた信
号線の上に延在するようにアンカー構造に取付けられて
いる。好ましくは白金、金、または金パラジウムなどの
容易に酸化しない金属を含む金属接触部が片持アームの
下部にアンカー構造から離れて形成され、信号線のギャ
ップより上でかつそれに面して位置づけられている。片
持アーム上の上部電極は、基板上の接地線より上にキャ
パシタ構造を形成する。キャパシタ構造は上部電極およ
び片持アームを貫いて延びる穴のグリッドを含み得る。
好ましくは片持アームと下部電極との間のギャップに匹
敵する寸法を有する穴は、構造上の質量、およびスイッ
チ動作の間の片持アームと基板との間の空気のスクィー
ズ膜減衰効果（squeezefilm damping effect ）を低減
する。スイッチは上部電極への電圧の印加によって動作
する。電圧が印加されると、静電力がキャパシタ構造を
接地線の方に引きつけ、それによって金属接触部が信号
線のギャップを閉じることを引き起こす。スイッチはＤ
Ｃから少なくとも４ギガヘルツまで機能し、４ギガヘル
ツにおける電気的分離は−５０ｄＢであって、挿入損は
０．１ｄＢである。５つのフォトマスクを用いる低温処
理（２５０℃）は、スイッチがマイクロ波およびミリメ
ートル波集積回路（ＭＭＩＣ）とモノリシックに集積さ
れることを可能にする。微細電気機械ＲＦスイッチは、
マイクロ波およびミリメートル波ＩＣ設計のための信号
経路指定、ＭＥＭＳインピーダンス整合ネットワーク、
ならびに周波数に敏感な通信のためのバンド切換同調可
能フィルタを含む電気通信におけるアプリケーションを
有する。
い、一方で「オン」状態において最小の挿入損および
「オフ」状態において質の良い電気的分離を維持できる
微細に製造された小型電気機械ＲＦスイッチを含む。好
ましい実施例では、ＲＦスイッチは、半絶縁性ガリウム
砒素（ＧａＡｓ）基板上に製造され、片持梁式のアクチ
ュエータアームとして懸垂式二酸化シリコン微細梁を備
える。片持アームは、基板上に金属マイクロストリップ
によって形成された接地線およびギャップを作られた信
号線の上に延在するようにアンカー構造に取付けられて
いる。好ましくは白金、金、または金パラジウムなどの
容易に酸化しない金属を含む金属接触部が片持アームの
下部にアンカー構造から離れて形成され、信号線のギャ
ップより上でかつそれに面して位置づけられている。片
持アーム上の上部電極は、基板上の接地線より上にキャ
パシタ構造を形成する。キャパシタ構造は上部電極およ
び片持アームを貫いて延びる穴のグリッドを含み得る。
好ましくは片持アームと下部電極との間のギャップに匹
敵する寸法を有する穴は、構造上の質量、およびスイッ
チ動作の間の片持アームと基板との間の空気のスクィー
ズ膜減衰効果（squeezefilm damping effect ）を低減
する。スイッチは上部電極への電圧の印加によって動作
する。電圧が印加されると、静電力がキャパシタ構造を
接地線の方に引きつけ、それによって金属接触部が信号
線のギャップを閉じることを引き起こす。スイッチはＤ
Ｃから少なくとも４ギガヘルツまで機能し、４ギガヘル
ツにおける電気的分離は−５０ｄＢであって、挿入損は
０．１ｄＢである。５つのフォトマスクを用いる低温処
理（２５０℃）は、スイッチがマイクロ波およびミリメ
ートル波集積回路（ＭＭＩＣ）とモノリシックに集積さ
れることを可能にする。微細電気機械ＲＦスイッチは、
マイクロ波およびミリメートル波ＩＣ設計のための信号
経路指定、ＭＥＭＳインピーダンス整合ネットワーク、
ならびに周波数に敏感な通信のためのバンド切換同調可
能フィルタを含む電気通信におけるアプリケーションを
有する。
【０００５】この発明の原形に示されたように、微細電
気機械ＲＦスイッチは２８ボルト（〜５０ｎＡまたは
１．４μＷ）で通常のオフ状態（開回路）からオン状態
（閉回路）に切換られ、どちらの状態においてもほぼゼ
ロ電力で維持され得る。周囲雰囲気においては、スイッ
チの閉時間は３０μｓのオーダにある。スイッチの二酸
化シリコンの片持アームは６５０億サイクル（６．５ｘ
１０10）にわたって応力テストされたが、疲労効果は観
察されなかった。１μｍ×２０μｍの最も狭い金線の断
面寸法では、スイッチは少なくとも２５０ｍＡの電流を
扱うことができる。
気機械ＲＦスイッチは２８ボルト（〜５０ｎＡまたは
１．４μＷ）で通常のオフ状態（開回路）からオン状態
（閉回路）に切換られ、どちらの状態においてもほぼゼ
ロ電力で維持され得る。周囲雰囲気においては、スイッ
チの閉時間は３０μｓのオーダにある。スイッチの二酸
化シリコンの片持アームは６５０億サイクル（６．５ｘ
１０10）にわたって応力テストされたが、疲労効果は観
察されなかった。１μｍ×２０μｍの最も狭い金線の断
面寸法では、スイッチは少なくとも２５０ｍＡの電流を
扱うことができる。
【０００６】この発明の主要な目的は、ギガヘルツ周波
数においてオン状態インピーダンスとオフ状態インピー
ダンスとの間に大きな範囲を有するＲＦスイッチであ
る。この発明の特徴は、静電気的に動作される片持アー
ムを有する微細電気機械スイッチである。この発明の利
点は、高い電気的分離および低い挿入損でＤＣからＲＦ
周波数まで機能するスイッチである。
数においてオン状態インピーダンスとオフ状態インピー
ダンスとの間に大きな範囲を有するＲＦスイッチであ
る。この発明の特徴は、静電気的に動作される片持アー
ムを有する微細電気機械スイッチである。この発明の利
点は、高い電気的分離および低い挿入損でＤＣからＲＦ
周波数まで機能するスイッチである。
【０００７】この発明のより完全な理解のためおよびそ
のさらなる利点のために、好ましい実施例の以下の詳し
い説明は添付図面を参照する。
のさらなる利点のために、好ましい実施例の以下の詳し
い説明は添付図面を参照する。
【０００８】
【好ましい実施例の詳しい説明】この発明は、ＤＣから
少なくとも４ギガヘルツまでの信号周波数を有するアプ
リケーション用に設計された小型ＲＦスイッチを含む。
図１は、基板上に微細機械加工された電気機械ＲＦスイ
ッチ１０の概略上面図を示す。図２、３、および４は、
図１の切断線２−−２、３−−３、および４−−４、そ
れぞれに沿ったスイッチ１０の断面図を示す。微細機械
加工された小型のスイッチ１０は、マイクロ波およびミ
リメートル波ＩＣ設計のための信号経路指定、ＭＥＭＳ
インピーダンス整合ネットワーク、および調整可能利得
増幅器を含む電気通信システムのアプリケーションを有
する。
少なくとも４ギガヘルツまでの信号周波数を有するアプ
リケーション用に設計された小型ＲＦスイッチを含む。
図１は、基板上に微細機械加工された電気機械ＲＦスイ
ッチ１０の概略上面図を示す。図２、３、および４は、
図１の切断線２−−２、３−−３、および４−−４、そ
れぞれに沿ったスイッチ１０の断面図を示す。微細機械
加工された小型のスイッチ１０は、マイクロ波およびミ
リメートル波ＩＣ設計のための信号経路指定、ＭＥＭＳ
インピーダンス整合ネットワーク、および調整可能利得
増幅器を含む電気通信システムのアプリケーションを有
する。
【０００９】好ましい実施例では、スイッチ１０は、た
とえばマスキング、エッチング、堆積、およびリフトオ
フなどの一般的に既知の微細製造技術を用いて半絶縁性
ＧａＡｓ基板などの基板１２上に製造される。スイッチ
１０はアンカー構造１４によって基板１２に取付けら
れ、アンカー構造１４はたとえば堆積かまたは周囲の材
料をエッチングして取除くかによって基板１２上にメサ
型として形成され得る。典型的には接地に接続された下
部電極１６、および信号線１８もまた、基板１２上に形
成される。電極１６および信号線１８は一般的に、基板
１２上に堆積された、たとえば金などの容易に酸化しな
い金属のマイクロストリップを含む。信号線１８は図４
に最良に示されているようなギャップ１９を含み、ギャ
ップ１９は矢印１１によって示されているようにスイッ
チ１０の動作によって開けられたり閉じられたりする。
とえばマスキング、エッチング、堆積、およびリフトオ
フなどの一般的に既知の微細製造技術を用いて半絶縁性
ＧａＡｓ基板などの基板１２上に製造される。スイッチ
１０はアンカー構造１４によって基板１２に取付けら
れ、アンカー構造１４はたとえば堆積かまたは周囲の材
料をエッチングして取除くかによって基板１２上にメサ
型として形成され得る。典型的には接地に接続された下
部電極１６、および信号線１８もまた、基板１２上に形
成される。電極１６および信号線１８は一般的に、基板
１２上に堆積された、たとえば金などの容易に酸化しな
い金属のマイクロストリップを含む。信号線１８は図４
に最良に示されているようなギャップ１９を含み、ギャ
ップ１９は矢印１１によって示されているようにスイッ
チ１０の動作によって開けられたり閉じられたりする。
【００１０】スイッチ１０の動作部分は、典型的にはた
とえば二酸化シリコンまたは窒化シリコンなどの半導電
性、半絶縁性、または絶縁性材料からなる片持梁式のア
ーム２０を含む。片持アーム２０は、アンカー構造１４
の上面上の一方端に取付けられかつ基板１２の上の下部
電極１６および信号線１８より上で延在する、懸垂式マ
イクロビームを形成する。典型的には容易に酸化しない
たとえば金、白金、または金パラジウムなどの金属を含
む電気的接触部２２は、片持アーム２０のアンカー構造
１４から離れた端部上に形成される。接触部２２は、信
号線１８のギャップ１９上で延在して基板１２の上面に
面するように片持アーム２０の下側に位置づけられる。
とえば二酸化シリコンまたは窒化シリコンなどの半導電
性、半絶縁性、または絶縁性材料からなる片持梁式のア
ーム２０を含む。片持アーム２０は、アンカー構造１４
の上面上の一方端に取付けられかつ基板１２の上の下部
電極１６および信号線１８より上で延在する、懸垂式マ
イクロビームを形成する。典型的には容易に酸化しない
たとえば金、白金、または金パラジウムなどの金属を含
む電気的接触部２２は、片持アーム２０のアンカー構造
１４から離れた端部上に形成される。接触部２２は、信
号線１８のギャップ１９上で延在して基板１２の上面に
面するように片持アーム２０の下側に位置づけられる。
【００１１】典型的にはたとえばアルミニウムまたは金
などの金属を含む上部電極２４は片持アーム２０の上面
上に形成される。上部電極２４は、アンカー構造１４よ
り上から始まって片持アーム２０の上面に沿って延び下
部電極１６より上の位置で終端する。片持アーム２０お
よび上部電極２４は下部電極１６より上で幅広くなりキ
ャパシタ構造２６を形成する。スイッチ動作性能を高め
るための選択案として、キャパシタ構造２６は、上部電
極２４および片持アーム２０を貫いて延びる穴のグリッ
ド２８を含むように形成され得る。典型的にはたとえば
１μｍ〜１００μｍの寸法を有する穴は、片持アーム２
０の構造上の質量と、矢印１１によって示されているよ
うなスイッチ１０の動作の間の空気のスクィーズ膜減衰
効果とを低減する。
などの金属を含む上部電極２４は片持アーム２０の上面
上に形成される。上部電極２４は、アンカー構造１４よ
り上から始まって片持アーム２０の上面に沿って延び下
部電極１６より上の位置で終端する。片持アーム２０お
よび上部電極２４は下部電極１６より上で幅広くなりキ
ャパシタ構造２６を形成する。スイッチ動作性能を高め
るための選択案として、キャパシタ構造２６は、上部電
極２４および片持アーム２０を貫いて延びる穴のグリッ
ド２８を含むように形成され得る。典型的にはたとえば
１μｍ〜１００μｍの寸法を有する穴は、片持アーム２
０の構造上の質量と、矢印１１によって示されているよ
うなスイッチ１０の動作の間の空気のスクィーズ膜減衰
効果とを低減する。
【００１２】動作において、スイッチ１０は図２に示さ
れているように通常「オフ」位置にある。オフ状態のス
イッチ１０では、信号線１８はギャップ１９と接触部２
２の信号線１８からの分離とに起因して開回路である。
スイッチ１０は上部電極２４への電圧の印加によって
「オン」位置に動作する。絶縁性の片持アーム２０によ
って下部電極１６から分離されている上部電極２４およ
びキャパシタ構造２６への電圧で、静電力がキャパシタ
構造２６（および片持アーム２０）を下部電極１６の方
に引きつける。矢印１１によって示されるような下部電
極１６の方への片持アーム２０の動作によって、接触部
２２が信号線１８と接触するようになり、それによって
ギャップ１９を閉じて信号線１８をオン状態にする（す
なわち回路を閉じる）。
れているように通常「オフ」位置にある。オフ状態のス
イッチ１０では、信号線１８はギャップ１９と接触部２
２の信号線１８からの分離とに起因して開回路である。
スイッチ１０は上部電極２４への電圧の印加によって
「オン」位置に動作する。絶縁性の片持アーム２０によ
って下部電極１６から分離されている上部電極２４およ
びキャパシタ構造２６への電圧で、静電力がキャパシタ
構造２６（および片持アーム２０）を下部電極１６の方
に引きつける。矢印１１によって示されるような下部電
極１６の方への片持アーム２０の動作によって、接触部
２２が信号線１８と接触するようになり、それによって
ギャップ１９を閉じて信号線１８をオン状態にする（す
なわち回路を閉じる）。
【００１３】（設計トレードオフ）以下の説明は、例で
あって、限定するものではないが、微細電気機械スイッ
チ１０を構成する上でのさまざまな部品寸法および設計
トレードオフを説明する。ＲＦスイッチ１０の一般的な
設計に関して、二酸化シリコン片持アーム２０は典型的
には、１０μｍから１０００μｍまでの長さであって、
１μｍから１００μｍまでの幅、１μｍから１０μｍま
での厚みである。キャパシタ構造２６は１００μｍ2 か
ら１ｍｍ2 までの典型的な面積を有する。二酸化シリコ
ン片持アーム２０の下面と基板１２上の金属線１６およ
び１８との間のギャップは典型的には１μｍ〜１０μｍ
である。金マイクロストリップ信号線１８は、所望の信
号線インピーダンスを与えるために一般的に厚み１μｍ
〜１０μｍ、幅１０μｍ〜１０００μｍである。金接触
部２２は典型的には厚み１μｍ〜１０μｍであって、１
０μｍ2 〜１０，０００μｍ2 の接触面積を有する。
あって、限定するものではないが、微細電気機械スイッ
チ１０を構成する上でのさまざまな部品寸法および設計
トレードオフを説明する。ＲＦスイッチ１０の一般的な
設計に関して、二酸化シリコン片持アーム２０は典型的
には、１０μｍから１０００μｍまでの長さであって、
１μｍから１００μｍまでの幅、１μｍから１０μｍま
での厚みである。キャパシタ構造２６は１００μｍ2 か
ら１ｍｍ2 までの典型的な面積を有する。二酸化シリコ
ン片持アーム２０の下面と基板１２上の金属線１６およ
び１８との間のギャップは典型的には１μｍ〜１０μｍ
である。金マイクロストリップ信号線１８は、所望の信
号線インピーダンスを与えるために一般的に厚み１μｍ
〜１０μｍ、幅１０μｍ〜１０００μｍである。金接触
部２２は典型的には厚み１μｍ〜１０μｍであって、１
０μｍ2 〜１０，０００μｍ2 の接触面積を有する。
【００１４】低信号周波数では、スイッチ１０の挿入損
は、信号線１８の抵抗と接触部２２の抵抗とを含む信号
線１８の抵抗損によって支配される。より高い周波数で
は、挿入損は抵抗損と表皮深さ効果（skin depth effec
t ）との両方の結果として生じる。４ギガヘルツより下
の周波数では、表皮深さ効果は信号線１８の抵抗損と比
較するとはるかに小さい。抵抗損を最小にするために、
金の厚い（たとえば２μｍの）層が用いられ得る。金は
また、その優れたエレクトロマイグレーション特性のた
めにも好ましい。信号線１８の幅はその厚みよりもより
限定される。なぜならより幅のある信号線は、より低い
挿入損を生成するにもかかわらず、信号線間の容量結合
の増大に起因してより不良なオフ状態電気的分離を生み
出すからである。さらに、マイクロストリップ信号線の
寸法の変化はマイクロ波インピーダンスにも影響を及ぼ
す。
は、信号線１８の抵抗と接触部２２の抵抗とを含む信号
線１８の抵抗損によって支配される。より高い周波数で
は、挿入損は抵抗損と表皮深さ効果（skin depth effec
t ）との両方の結果として生じる。４ギガヘルツより下
の周波数では、表皮深さ効果は信号線１８の抵抗損と比
較するとはるかに小さい。抵抗損を最小にするために、
金の厚い（たとえば２μｍの）層が用いられ得る。金は
また、その優れたエレクトロマイグレーション特性のた
めにも好ましい。信号線１８の幅はその厚みよりもより
限定される。なぜならより幅のある信号線は、より低い
挿入損を生成するにもかかわらず、信号線間の容量結合
の増大に起因してより不良なオフ状態電気的分離を生み
出すからである。さらに、マイクロストリップ信号線の
寸法の変化はマイクロ波インピーダンスにも影響を及ぼ
す。
【００１５】オフ状態のスイッチ１０の電気的分離は、
基板が導電性であろうと半導電性であろうとも、主とし
て信号線間のまたは信号線と基板との間の容量結合に依
存する。ゆえに、ＲＦスイッチ１０には半絶縁性ＧａＡ
ｓ基板が半導電性シリコン基板よりも好ましい。ＲＦス
イッチ１０がＭＭＩＣとのそのモノリシックな集積能力
を保持し得るように、ＧａＡｓ基板はまた、ガラスなど
の他の絶縁性基板よりも好ましい。
基板が導電性であろうと半導電性であろうとも、主とし
て信号線間のまたは信号線と基板との間の容量結合に依
存する。ゆえに、ＲＦスイッチ１０には半絶縁性ＧａＡ
ｓ基板が半導電性シリコン基板よりも好ましい。ＲＦス
イッチ１０がＭＭＩＣとのそのモノリシックな集積能力
を保持し得るように、ＧａＡｓ基板はまた、ガラスなど
の他の絶縁性基板よりも好ましい。
【００１６】信号線間の容量結合は、基板１２上の信号
線１８と懸垂式二酸化シリコン片持アーム２０の下面上
の金属接触部２２との間のギャップを増大することによ
って低減され得る。しかしながら、ギャップが増大する
ことによってまた、スイッチ１０の動作に要する電圧が
増大する。なぜならそのギャップが構造２６のキャパシ
タンスに影響を及ぼすからである。キャパシタ構造２６
のアルミニウム上部金属２４は下層の接地メタライゼー
ション１６に結合する。固定されたギャップ距離では、
スイッチ１０の動作に要する電圧は動作キャパシタ構造
２６の面積を増大することによって低減され得る。しか
しながら、キャパシタ面積を増やすことによって、懸垂
式構造の全質量が増大し、このためスイッチ１０の閉時
間が増大する。構造の質量の増大を補償するために懸垂
式構造の剛性を増大させて一定のスイッチ閉時間を維持
するようにすれば、スイッチ１０の動作に要する電圧は
さらに増大するであろう。さらに、得られる挿入損を最
小にするために、二酸化シリコン片持アーム２０上の接
触部２２はまた厚みを最大にして抵抗損を低減する必要
があるが、厚みのある金属接触部２２もまた全質量に寄
与する。
線１８と懸垂式二酸化シリコン片持アーム２０の下面上
の金属接触部２２との間のギャップを増大することによ
って低減され得る。しかしながら、ギャップが増大する
ことによってまた、スイッチ１０の動作に要する電圧が
増大する。なぜならそのギャップが構造２６のキャパシ
タンスに影響を及ぼすからである。キャパシタ構造２６
のアルミニウム上部金属２４は下層の接地メタライゼー
ション１６に結合する。固定されたギャップ距離では、
スイッチ１０の動作に要する電圧は動作キャパシタ構造
２６の面積を増大することによって低減され得る。しか
しながら、キャパシタ面積を増やすことによって、懸垂
式構造の全質量が増大し、このためスイッチ１０の閉時
間が増大する。構造の質量の増大を補償するために懸垂
式構造の剛性を増大させて一定のスイッチ閉時間を維持
するようにすれば、スイッチ１０の動作に要する電圧は
さらに増大するであろう。さらに、得られる挿入損を最
小にするために、二酸化シリコン片持アーム２０上の接
触部２２はまた厚みを最大にして抵抗損を低減する必要
があるが、厚みのある金属接触部２２もまた全質量に寄
与する。
【００１７】ＲＦスイッチ１０の装置パラメータ間のト
レードオフを管理するとき、挿入損および電気的分離が
一般的に最優先され、閉時間および動作電圧が次に優先
される。好ましい実施例では、ＲＦスイッチ１０の挿入
損および電気的分離はそれぞれ、４ギガヘルツにおいて
０．１ｄＢおよび−５０ｄＢになるように設計されてお
り、一方スイッチ閉時間は３０μｓのオーダにあり動作
電圧は２８ボルトである。
レードオフを管理するとき、挿入損および電気的分離が
一般的に最優先され、閉時間および動作電圧が次に優先
される。好ましい実施例では、ＲＦスイッチ１０の挿入
損および電気的分離はそれぞれ、４ギガヘルツにおいて
０．１ｄＢおよび−５０ｄＢになるように設計されてお
り、一方スイッチ閉時間は３０μｓのオーダにあり動作
電圧は２８ボルトである。
【００１８】動作キャパシタ構造２６において選択的に
設けられる穴のグリッド２８は、グリッド構造の周囲の
電界に依存することによって全動作キャパシタンスを維
持しながら構造上の質量を低減する。さらに、穴のグリ
ッド２８は、スイッチ１０が動作しているとき片持アー
ム２０と基板１２との間の大気のスクィーズ膜減衰効果
を低減する。穴のグリッド２８を備えないスイッチは一
般的に、スクィーズ膜減衰効果に起因して非常により大
きな開閉時間を有する。
設けられる穴のグリッド２８は、グリッド構造の周囲の
電界に依存することによって全動作キャパシタンスを維
持しながら構造上の質量を低減する。さらに、穴のグリ
ッド２８は、スイッチ１０が動作しているとき片持アー
ム２０と基板１２との間の大気のスクィーズ膜減衰効果
を低減する。穴のグリッド２８を備えないスイッチは一
般的に、スクィーズ膜減衰効果に起因して非常により大
きな開閉時間を有する。
【００１９】（製造）この発明のＲＦスイッチ１０は５
つのマスキングレベルを用いる表面微細製造技術によっ
て製造される。いかなる厳密な重ね合わせも必要でな
い。好ましい実施例の開始時の基板は３インチの半絶縁
性ＧａＡｓウエハである。プラズマ励起化学蒸着（ＰＥ
ＣＶＤ）を用いて堆積された二酸化シリコン（Ｓｉ
Ｏ2 ）が片持アーム２０に好ましい構造材料として用い
られ、ポリイミドが好ましい犠牲材料として用いられ
る。図５（Ａ）−（Ｅ）および図６（Ａ）−（Ｅ）は、
それぞれ図１に示されたスイッチ１０の断面３−−３お
よび４−−４にプロセスのシーケンスが影響を及ぼすと
きのそのプロセスシーケンスの断面概略図である。スイ
ッチ１０のＳｉＯ2 ＰＥＣＶＤ形成の間の処理温度を
２５０℃と低くすることによって、ＭＭＩＣとのモノリ
シックな集積能力を確実にする。
つのマスキングレベルを用いる表面微細製造技術によっ
て製造される。いかなる厳密な重ね合わせも必要でな
い。好ましい実施例の開始時の基板は３インチの半絶縁
性ＧａＡｓウエハである。プラズマ励起化学蒸着（ＰＥ
ＣＶＤ）を用いて堆積された二酸化シリコン（Ｓｉ
Ｏ2 ）が片持アーム２０に好ましい構造材料として用い
られ、ポリイミドが好ましい犠牲材料として用いられ
る。図５（Ａ）−（Ｅ）および図６（Ａ）−（Ｅ）は、
それぞれ図１に示されたスイッチ１０の断面３−−３お
よび４−−４にプロセスのシーケンスが影響を及ぼすと
きのそのプロセスシーケンスの断面概略図である。スイ
ッチ１０のＳｉＯ2 ＰＥＣＶＤ形成の間の処理温度を
２５０℃と低くすることによって、ＭＭＩＣとのモノリ
シックな集積能力を確実にする。
【００２０】アンカー構造１４は多くの異なるエッチン
グ技術および／または堆積技術を用いて製造されてもよ
い。図２に示されたような突出アンカー構造１４を形成
するには、典型的にはアンカーの面積が片持アーム２０
の寸法よりずっと大きくなければならない。一方法で
は、片持アーム２０は基板１２上に堆積された犠牲層の
上部上に形成される。たとえば酸素プラズマを用いるこ
とによって片持アーム２０がリリースされ横方向に犠牲
層を除去するとき、アンカー構造１４を形成する犠牲材
料はアンダーカットされるが完全には除去されない。別
の方法においては、片持アーム２０を形成する材料の堆
積に先行してエッチングステップが用いられて犠牲層に
凹領域を生み出し、そこにアンカー構造１４が形成され
る。この構成では、片持アーム２０の材料は実際には犠
牲層のエッチングされた凹領域の基板１２の上に堆積さ
れ、アンカー構造１４を形成する。
グ技術および／または堆積技術を用いて製造されてもよ
い。図２に示されたような突出アンカー構造１４を形成
するには、典型的にはアンカーの面積が片持アーム２０
の寸法よりずっと大きくなければならない。一方法で
は、片持アーム２０は基板１２上に堆積された犠牲層の
上部上に形成される。たとえば酸素プラズマを用いるこ
とによって片持アーム２０がリリースされ横方向に犠牲
層を除去するとき、アンカー構造１４を形成する犠牲材
料はアンダーカットされるが完全には除去されない。別
の方法においては、片持アーム２０を形成する材料の堆
積に先行してエッチングステップが用いられて犠牲層に
凹領域を生み出し、そこにアンカー構造１４が形成され
る。この構成では、片持アーム２０の材料は実際には犠
牲層のエッチングされた凹領域の基板１２の上に堆積さ
れ、アンカー構造１４を形成する。
【００２１】片持アーム２０、電極１６および１８、な
らびに接触部２２を形成するとき、（たとえばＤｕＰｏ
ｎｔ ＰＩ２５５６などの）熱硬化ポリイミドの層３０
などの犠牲材料が基板１２上に堆積される。ポリイミド
は、２５０℃以下の温度において数回のオーブンベーキ
ングによって硬化され得る。そして、第１の犠牲材料か
ら選択的に取除かれ得る（たとえばＯＣＧ Ｐｒｏｂｅ
ｉｍｉｄｅ２８５などの）予めイミド化されたポリイミ
ドの層３２などの第２の犠牲材料が堆積される。ＯＣＧ
Ｐｒｏｂｅｉｍｉｄｅ２８５は回転加工され１７０℃
の最も高いベーキング温度でベーキングされ得る。そし
て１５００Åの厚みの窒化シリコン層３４が堆積され、
ＣＨＦ3 とＯ2 との化学作用での反応性イオンエッチン
グ（ＲＩＥ）およびフォトリソグラフィを用いてパター
ニングされる。このパターンは、図６（Ａ）において最
良に示されているようにＯ2 ＲＩＥによって下層ポリ
イミド層の方にさらに転写する。これは、ポリイミドの
２層が用いられる点を除いて、３層のレジストシステム
と同様のリフトオフプロファイルを生み出す。図５
（Ｂ）および図６（Ｂ）に示されるように、金の層が熱
硬化ポリイミド層３０の厚みと等しい厚みで電子ビーム
蒸着され、下部電極１６および信号線１８を形成する。
図６（Ｂ）に最良に示されるように、予めイミド化され
たＯＣＧ ポリイミドを溶解するために塩化メチレンを
用いて金のリフトオフが完了し、平坦な金／ポリイミド
表面を残す。架橋したＤｕＰｏｎｔポリイミド３０は塩
化メチレンに対して良好な耐薬品性を有する。
らびに接触部２２を形成するとき、（たとえばＤｕＰｏ
ｎｔ ＰＩ２５５６などの）熱硬化ポリイミドの層３０
などの犠牲材料が基板１２上に堆積される。ポリイミド
は、２５０℃以下の温度において数回のオーブンベーキ
ングによって硬化され得る。そして、第１の犠牲材料か
ら選択的に取除かれ得る（たとえばＯＣＧ Ｐｒｏｂｅ
ｉｍｉｄｅ２８５などの）予めイミド化されたポリイミ
ドの層３２などの第２の犠牲材料が堆積される。ＯＣＧ
Ｐｒｏｂｅｉｍｉｄｅ２８５は回転加工され１７０℃
の最も高いベーキング温度でベーキングされ得る。そし
て１５００Åの厚みの窒化シリコン層３４が堆積され、
ＣＨＦ3 とＯ2 との化学作用での反応性イオンエッチン
グ（ＲＩＥ）およびフォトリソグラフィを用いてパター
ニングされる。このパターンは、図６（Ａ）において最
良に示されているようにＯ2 ＲＩＥによって下層ポリ
イミド層の方にさらに転写する。これは、ポリイミドの
２層が用いられる点を除いて、３層のレジストシステム
と同様のリフトオフプロファイルを生み出す。図５
（Ｂ）および図６（Ｂ）に示されるように、金の層が熱
硬化ポリイミド層３０の厚みと等しい厚みで電子ビーム
蒸着され、下部電極１６および信号線１８を形成する。
図６（Ｂ）に最良に示されるように、予めイミド化され
たＯＣＧ ポリイミドを溶解するために塩化メチレンを
用いて金のリフトオフが完了し、平坦な金／ポリイミド
表面を残す。架橋したＤｕＰｏｎｔポリイミド３０は塩
化メチレンに対して良好な耐薬品性を有する。
【００２２】（たとえばＤｕＰｏｎｔ ＰＩ２５５５な
どの）熱硬化ポリイミドの第２の層３８が回転加工され
熱的に架橋される。１μｍの金の層が、図６（Ｃ）に最
良に示されるように、電子ビーム蒸着およびリフトオフ
を用いて堆積され、接触金属２２を形成する。そして図
５（Ｄ）および図６（Ｄ）に示されるように、２μｍの
厚みのＰＥＣＶＤ二酸化シリコンの膜が堆積され、ＣＨ
Ｆ3 とＯ2 との化学作用においてＲＩＥおよびフォトリ
ソグラフィを用いてパターニングされ、片持アーム２０
を形成する。そして図５（Ｄ）に示されるように、アル
ミニウム膜の薄い（２５００Å）層が電子ビーム蒸着お
よびリフトオフを用いて堆積され、動作キャパシタ構造
に上部電極２４を形成する。最後に、Ｂｒａｎｓｏｎ
Ｏ2 バレルエッチャーにおいてポリイミド膜３０および
３８をドライエッチングすることによって全ＲＦスイッ
チ構造がリリースされる。起こり得る粘着性の問題を回
避するにはドライリリースがウェット化学リリース方法
よりも好ましい。
どの）熱硬化ポリイミドの第２の層３８が回転加工され
熱的に架橋される。１μｍの金の層が、図６（Ｃ）に最
良に示されるように、電子ビーム蒸着およびリフトオフ
を用いて堆積され、接触金属２２を形成する。そして図
５（Ｄ）および図６（Ｄ）に示されるように、２μｍの
厚みのＰＥＣＶＤ二酸化シリコンの膜が堆積され、ＣＨ
Ｆ3 とＯ2 との化学作用においてＲＩＥおよびフォトリ
ソグラフィを用いてパターニングされ、片持アーム２０
を形成する。そして図５（Ｄ）に示されるように、アル
ミニウム膜の薄い（２５００Å）層が電子ビーム蒸着お
よびリフトオフを用いて堆積され、動作キャパシタ構造
に上部電極２４を形成する。最後に、Ｂｒａｎｓｏｎ
Ｏ2 バレルエッチャーにおいてポリイミド膜３０および
３８をドライエッチングすることによって全ＲＦスイッ
チ構造がリリースされる。起こり得る粘着性の問題を回
避するにはドライリリースがウェット化学リリース方法
よりも好ましい。
【００２３】（テスト結果）上述のように製造された懸
垂式スイッチ構造の剛性はさまざまな片持寸法に対して
０．２Ｎ／ｍ〜２．０Ｎ／ｍであるように設計される。
最低必要動作電圧は２８ボルトであり、動作電流は５０
ｎＡのオーダにある（これは１．４μＷの電力消費に対
応する）。４ギガヘルツにおける−５０ｄＢの電気的分
離および０．１ｄＢの挿入損が達成される。静電気的動
作のために、スイッチ１０は、その位置をオン状態また
はオフ状態いずれかに維持するためにほぼ０電力を必要
とする。スイッチ閉時間は３０μｓのオーダにある。二
酸化シリコン片持アーム２０は全部で６５０億サイクル
（６．５×１０10）にわたって応力テストされたが疲労
効果は観察されなかった。最も狭い金信号線１８の断面
寸法は１μ×２０μｍで、原形のスイッチ１０の電流処
理能力は２００ｍＡであった原形のスイッチのＤＣ抵抗
は０．２２Ωであった。すべての特性は周囲雰囲気にお
いて行なわれる。
垂式スイッチ構造の剛性はさまざまな片持寸法に対して
０．２Ｎ／ｍ〜２．０Ｎ／ｍであるように設計される。
最低必要動作電圧は２８ボルトであり、動作電流は５０
ｎＡのオーダにある（これは１．４μＷの電力消費に対
応する）。４ギガヘルツにおける−５０ｄＢの電気的分
離および０．１ｄＢの挿入損が達成される。静電気的動
作のために、スイッチ１０は、その位置をオン状態また
はオフ状態いずれかに維持するためにほぼ０電力を必要
とする。スイッチ閉時間は３０μｓのオーダにある。二
酸化シリコン片持アーム２０は全部で６５０億サイクル
（６．５×１０10）にわたって応力テストされたが疲労
効果は観察されなかった。最も狭い金信号線１８の断面
寸法は１μ×２０μｍで、原形のスイッチ１０の電流処
理能力は２００ｍＡであった原形のスイッチのＤＣ抵抗
は０．２２Ωであった。すべての特性は周囲雰囲気にお
いて行なわれる。
【００２４】この発明の範囲内にあるさまざまな変更お
よび修正を当業者によって行なわれることができる。特
に、基板、アンカー構造、片持アーム、電極、および金
属接触部は、所与の最終的使用の設計に適切なさまざま
な材料のいずれを用いても製造され得る。さらに、アン
カー構造、片持アーム、キャパシタ構造、および金属接
触部は、複数のアンカーポイント、片持アーム、および
金属接触部を含むさまざまな表面形状において形成され
てもよい。
よび修正を当業者によって行なわれることができる。特
に、基板、アンカー構造、片持アーム、電極、および金
属接触部は、所与の最終的使用の設計に適切なさまざま
な材料のいずれを用いても製造され得る。さらに、アン
カー構造、片持アーム、キャパシタ構造、および金属接
触部は、複数のアンカーポイント、片持アーム、および
金属接触部を含むさまざまな表面形状において形成され
てもよい。
【図１】この発明の微細電気機械スイッチの上面図であ
る。
る。
【図２】切断線２−２に沿った図１のスイッチの断面図
である。
である。
【図３】切断線３−３に沿った図１のスイッチの断面図
である。
である。
【図４】切断線４−４に沿って切取られた図１のスイッ
チの断面図である。
チの断面図である。
【図５】（Ａ）−（Ｅ）は、図３に示されたスイッチの
断面を製造する上でのステップを示す断面図である。
断面を製造する上でのステップを示す断面図である。
【図６】（Ａ）−（Ｅ）は、図４に示されたスイッチの
断面を製造する上でのステップを示す断面図である。
断面を製造する上でのステップを示す断面図である。
１０ 微細電気機械スイッチ １４ アンカー構造 １６ 下部電極 １８ 信号線 ２０ 片持アーム ２２ 接触部 ２４ 上部電極
Claims (10)
- 【請求項１】 基板上に形成された微細電気機械スイッ
チであって、 前記基板上に形成された、アンカー構造と、下部電極
と、開回路を形成するギャップを有する信号線と、 前記アンカー構造に取付けられかつ前記下部電極および
前記信号線ギャップの上に延在する片持アームと、 前記片持アーム上に前記アンカー構造から離れて形成さ
れかつ前記信号線の前記ギャップに面して位置づけられ
る接触部と、 前記片持アーム上に形成された上部電極とを含み、 前記下部電極より上に位置づけられた前記片持アームと
前記上部電極との一部分は、前記上部電極への電圧の選
択的印加時に前記下部電極の方に静電気的に引付けるこ
とが可能なキャパシタ構造を形成する、微細電気機械ス
イッチ。 - 【請求項２】 前記下部電極の方への前記キャパシタ構
造の前記静電気的引力は、前記片持アーム上の前記接触
部が前記信号線の前記ギャップを閉じることを引き起こ
す、請求項１に記載の微細電気機械スイッチ。 - 【請求項３】 前記基板は半絶縁性ＧａＡｓ基板を含
む、請求項１に記載の微細電気機械スイッチ。 - 【請求項４】 前記片持アームは絶縁性材料を含む、請
求項１に記載の微細電気機械スイッチ。 - 【請求項５】 前記片持アームは二酸化シリコンを含
む、請求項１に記載の微細電気機械スイッチ。 - 【請求項６】 前記キャパシタ構造はさらに、前記片持
アームおよび上部電極に延びる穴のグリッドを含み、前
記穴は、前記片持アームの構造上の質量とスイッチの動
作の間の空気のスクィーズ膜減衰効果とを低減する、請
求項１に記載の微細電気機械スイッチ。 - 【請求項７】 前記下部電極および信号線は基板上に金
のマイクロストリップを含む、請求項１に記載の微細電
気機械スイッチ。 - 【請求項８】 前記接触部は金、白金、および金パラジ
ウムからなる群から選択された１つの金属を含む、請求
項１に記載の微細電気機械スイッチ。 - 【請求項９】 前記片持アームは１μｍ〜１０μｍの範
囲の厚みを有する、請求項１に記載の微細電気機械スイ
ッチ。 - 【請求項１０】 前記片持アームは、アンカー構造から
キャパシタ構造まで１０μｍ〜１０００μｍの範囲の長
さを有する、請求項１に記載の微細電気機械スイッチ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/493445 | 1995-06-22 | ||
| US08/493,445 US5578976A (en) | 1995-06-22 | 1995-06-22 | Micro electromechanical RF switch |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0917300A true JPH0917300A (ja) | 1997-01-17 |
Family
ID=23960256
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8082436A Pending JPH0917300A (ja) | 1995-06-22 | 1996-04-04 | 微細電気機械スイッチ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5578976A (ja) |
| EP (1) | EP0751546B2 (ja) |
| JP (1) | JPH0917300A (ja) |
| DE (1) | DE69609458T3 (ja) |
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