JP4564549B2 - Ｍｅｍｓスイッチ - Google Patents

Description

本発明は、半導体の微細加工技術を利用して極微細でメカニカルな機構を実現できるＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical System）技術を用いて形成されたＭＥＭＳスイッチに関する。

最近、ＲＦ技術に対する需要が急激に増大している。機能の多様性やユーザの急激な増大にともないＲＦ機器に対してさまざまな要求がなされるようになってきた。特に、消費電力を低減する必要からスイッチに対して、小型化、低コスト化に加えて低損失、高アイソレーション特性が望まれている。このような社会的背景から、ＭＥＭＳ技術が携帯無線端末機器応用で注目されるようになってきた。これは、ＭＥＭＳデバイスが低消費電力、高密度実装、広帯域特性等の特徴があるからである。

ＭＥＭＳスイッチの研究は、１９９０年代から米国を中心に活発になってきた。現在、国内及び海外の企業がサンプルを提供し始めた状況である。これら製品は主に電磁リレーの代替とするものでデバイスの小型化を特徴としており、ＭＥＭＳスイッチの優れたＲＦ特性は、指向性アンテナ等の新たな市場を創出することが期待される。

ＭＥＭＳスイッチの研究実用化については非特許文献１において開示されており、ＭＥＭＳスイッチは直列抵抗型、並列抵抗型、直列静電容量型、並列静電容量に分類されている。抵抗型ＭＥＭＳスイッチは、直流から高周波帯域まで広い周波数帯域で特性インピーダンスが一定であるという特徴をもっている。特に、本特許に関連する従来技術として、非特許文献２に開示された従来技術に係るＭＥＭＳスイッチについて図１２及び図１３を参照して以下に説明する。

図１２は従来技術に係るＭＥＭＳスイッチの構成を示す斜視図であり、図１３は図１２の可動電極６０を裏面から見たときの斜視図である。

従来技術に係るＭＥＭＳスイッチは、図１２及び図１３に示すように、ガラス基板５０上に、コンタクト部５１ｃを有するストリップ導体５１、ボンディングパッド５２、及び固定電極５３が形成され、その上に可動電極６０が形成された後、キャップ基板７０により封止されている。ここで、可動電極６０は、アンカー部６１と、突出部６２と、可動コンタクト部６３と、復元ばね部６４と、駆動電極６５とを有する。当該ＭＥＭＳスイッチは、２本の復元ばね部６４によって支持された中央の可動電極６０が両側に設けられた駆動電極６５に印加された電圧による静電気力により下側の基板方向に変位する構造をもっている。また、駆動電極６５に駆動電圧を印加しないときには、可動電極６０はばね部６４の復元力によってガラス基板５０の上方向に変位する。ガラス基板５０上には、ストリップ導体５１にてなるＲＦ信号線路が形成されており、可動電極６０に設けられた金属コンタクト部６３がＲＦ信号線路に接触し又は接触しない、の二つの状態に変化することにより、ＲＦ信号線路を流れる電気信号のオン／オフを切り替えることができる。

特開２００６−３１００５２号公報。 特開２００６−３１００５３号公報。 Gabriel M. Rebeiz et al., "RF MEMS Switches and Switch Circuits", IEEE Microwave Magazine, pp.59-71, December 2001. 積知範ほか，「有コンタクト部ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ／リレー用静電駆動アクチュエータの開発」，電気学会論文誌Ｅ、電気学会発行、１２６巻２号、６５−７１頁、２００６年２月。

従来技術に係るＭＥＭＳスイッチのＲＦ特性を良くするためには、可動コンタクト部６３と、ＲＦ信号線路のストリップ導体５１との間の接触抵抗を低く下げる必要がある。小型ＭＥＭＳスイッチで利用できる接触力が数ｍＮ以下と小さいために、従来技術では、コンタクト部の材料として接触抵抗の小さい金系の材料を使用してきた。

しかしながら、金系の材料では接触の後の付着力が大きいので、これに打ち勝つためにコンタクト部をＲＦ信号線路のストリップ導体５１から切り離すためにばね定数の大きなばねを必要とした。この結果、デバイスを駆動する駆動電圧が大きくなるという深刻な問題が発生した。これにより、デバイスの駆動電圧が大きい（４０Ｖ以上）という欠点により、ＭＥＭＳスイッチは優れたＲＦ特性をもつにも関わらず、実用化が大幅に遅れているという課題があった。

本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して付着力を大幅に減少させてスイッチをオン／オフすることができ、駆動電圧を大幅に低下させ、しかもＲＦ信号を良好に伝送することができるＲＦ特性を有するＭＥＭＳスイッチを提供することにある。

本発明に係るＭＥＭＳスイッチは、
駆動電圧の印加時に可動電極部材を支持するために所定位置に形成されたバンプを有する基板と、
上記基板上に形成されかつ所定の付着力を有する導電性材料にてなる線路電極と、
上記基板上に形成されかつ導電性材料にてなる固定電極と、
上記固定電極に対向する可動電極と、上記線路電極に対向する第１のコンタクト部と、上記バンプに対向する第２のコンタクト部とを有し、上記基板上でばねを介して、上記固定電極と上記可動電極との間での所定の初期間隔で支持されかつ導電性材料にてなる可動電極部材とを備え、
上記固定電極に所定の駆動電圧を印加したときに、上記固定電極と上記可動電極との間に発生する静電気力により上記可動電極部材が上記基板方向に移動し、上記第１のコンタクト部と上記線路電極が接触して導通状態となるように構成されたＭＥＭＳスイッチにおいて、
上記バンプ及び上記第２のコンタクト部のうちの少なくとも一つは、上記線路電極の導電性材料の付着力よりも小さい付着力を有する材料で形成されたことを特徴とする。

上記ＭＥＭＳスイッチにおいて、上記小さい付着力を有する材料は、白金系金属、セラミックス、又は有機系樹脂であることを特徴とする。

また、上記ＭＥＭＳスイッチにおいて、上記基板は誘電体基板又は半導体基板であり、上記導電性材料はＡｕ、Ａｇ又はＣｕであることを特徴とする。

さらに、上記ＭＥＭＳスイッチにおいて、上記可動電極部材は、上記固定電極と上記可動電極との間での初期間隔が上記所定の初期間隔よりも小さくなるように、上記基板上でばねを介して支持されたことを特徴とする。

またさらに、上記ＭＥＭＳスイッチにおいて、上記可動電極部材は、上記線路電極に対向する位置において形成されたスリットを有することを特徴とする。

従って、本発明に係るＭＥＭＳスイッチによれば、上記バンプ及び上記第２のコンタクト部のうちの少なくとも一つは、上記線路電極の導電性材料の付着力よりも小さい付着力を有する材料で形成されているので、付着力が減少したことから小さなばねの復元力によって、より小さい駆動電圧でスイッチを繰り返し駆動できる。すなわち、従来技術に比較して付着力を大幅に減少させてスイッチをオン／オフすることができ、駆動電圧を大幅に低下させることができる。また、当該ＭＥＭＳスイッチを、ＭＥＭＳ技術を用いたＬＳＩプロセスを用いて製造できるので集積化することができ、電荷の蓄積がないので高信頼性を有する。さらに、上記スリットを形成することで、挿入損失を大幅に減少させることができ、広帯域化しかつアイソレーション特性を向上できる。これにより、ＲＦ信号を良好に伝送することができるＲＦ特性を有するＭＥＭＳスイッチを提供できる。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。

図１は本発明の一実施形態に係る抵抗シャント型ＭＥＭＳスイッチの構成を示す斜視図であり、図２は図１の可動電極部材３０を取り外したときのＭＥＭＳスイッチの構成を示す斜視図である。また、図３は図１の可動電極部材３０の裏側を見たときの斜視図である。

図１乃至図３において、シリコン基板１０上に、線路電極を構成するストリップ導体２１及び接地導体２２，２３にてなるコプレナ線路２０が形成されている。コプレナ線路２０の外側であって四隅の位置に、可動電極部材３０を固定するためのアンカー部１１がシリコン基板１０上に形成されている。また、コプレナ線路２０を挟む両側に略矩形形状の固定電極２４，２５が形成され、当該固定電極２４，２５にそれぞれ、駆動電圧を印加するための引き出し線となるストリップ導体２４ｓ，２５ｓが接続するように形成されている。さらに、シリコン基板１０上には、接地導体２２から延在して延在接地導体２２ａ，２２ｂが形成され、接地導体２３から延在して延在接地導体２３ａ，２３ｂが形成されている。そして、延在接地導体２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ上に、駆動電圧の印加時に可動電極部材３０を支持するためにバンプ１２が形成されている。

ここで、ストリップ導体２１及び接地導体２２，２３並びに固定電極２４，２５は、所定の付着力を有する例えばＡｕ、Ａｇ又はＣｕなどの導電性材料にてなる。一方、バンプ１２は、詳細後述するように、上記導電性材料の付着力よりも小さい付着力を有する材料にてなり、具体的には、白金系金属、セラミックス、又は有機系樹脂である。ここで、白金系金属とは、白金（プラチナ）、白金（プラチナ）パラジウム、ロジウム、オスミウム、ルデニウム、イリジウムなどである。また、有機系樹脂とは、テフロン（登録商標）である。

上記シリコン基板１０の中央部を覆うように上記アンカー部１１に固定される可動電極部材３０は、
（ａ）固定電極２４，２５にそれぞれ対向する矩形形状の可動電極３０Ａ，３０Ｂと、
（ｂ）ストリップ導体２１の中央部に対向するコンタクト部３０ｃと、
（ｃ）各バンプ１２にそれぞれ対向するコンタクト部３０ｔと、
（ｄ）可動電極３０Ａ，３０Ｂの対向する２辺の中央部から各アンカー部３０ａまで細くて長い形状で延在してばねの機能を有する４本のビーム３０ｂとを有する。

また、可動電極部材３０は、可動電極３０Ａ，３０Ｂを連結する中央バー３０Ｃの直下にコンタクト部３０ｃを有し、２つの可動電極３０Ａ，３０Ｂの間には、コプレナ線路２０のストリップ導体２１に対向しかつ中央バー３０Ｃを挟んで２本のスリット３０ｓが形成されている。可動電極部材３０は、シリコン基板１０上で上記４本のビーム３０ｂのばねを介して、固定電極２４，２５と可動電極３０Ａ，３０Ｂとの間での所定の初期間隔ｇで（図６参照。）アンカー部１０ａで固定されて支持されている。なお、可動電極部材３０は例えばＡｕ、Ａｇ又はＣｕなどの同一の導電性材料にてなる。

以上の実施形態において、シリコン基板１０を用いているが、本発明はこれに限らず、誘電体基板、もしくは、ＧａＡｓ基板などの半導体基板で構成してもよい。

図４及び図５は、図１のＭＥＭＳスイッチの製造工程を示す縦断面図である。以下、図１のＭＥＭＳスイッチの製造工程について図４及び図５を参照して説明する。

まず、図４（ａ）に示すように、シリコン基板１０上に所定のパターンを用いてＡｕ層４１を形成した後、図４（ｂ）に示すように、所定のパターンを用いてバンプ１２となる位置にＰｔ層４２を形成する。次いで、図４（ｃ）に示すように、例えばアルミニウム又はＡｌＡｓにてなる犠牲層４３を堆積形成した後、図４（ｄ）に示すように、リフトオフ法を用いて犠牲層４３に所定の段差を形成する。そして、図５（ａ）に示すように、アンカー部３０ａとなる部分の犠牲層４３をエッチングし、さらに、図５（ｂ）に示すように、所定の厚さでＡｕ層４４を形成する。そして、図５（ｃ）に示すように、犠牲層４３を除去することにより、当該ＭＥＭＳスイッチを得る。

図６は図１のＭＥＭＳスイッチの電極非接触時（抵抗シャント型スイッチがオン状態）の状態を示す縦断面図であり、図７は図１のＭＥＭＳスイッチの電極接触時（抵抗シャント型スイッチがオフ状態）の状態を示す縦断面図である。なお、図６及び図７において、各バンプ１２とシリコン基板１０との間の延在接地導体２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂについては図示を省略している。また、４本のビーム３０ｂの機能をばね３０ｐで置き換えて模式的に図示している。

図６に示すように、固定電極２４，２５に所定の駆動電圧を印加しないとき、可動電極部材３０は、固定電極２４，２５と可動電極３０Ａ，３０Ｂとの間での間隔が初期間隔ｇとなるように、シリコン基板１０上でばね３０ｐを介してアンカー部１０ａ，３０ａにより支持されている。このとき、コンタクト部３０ｃとコプレナ線路２０のストリップ導体２１とが接触せず非導通状態となり、抵抗シャント型スイッチはオン状態となる。次いで、固定電極２４，２５に所定の駆動電圧を印加したとき、図７に示すように、固定電極２４，２５と可動電極３０Ａ，３０Ｂとの間に発生する静電気力により可動電極部材３０が基板方向に移動し、コンタクト部３０ｃとコプレナ線路２０のストリップ導体２１とが接触して導通状態となり、抵抗シャント型スイッチはオフ状態となる。このとき、可動電極部材３０の各コンタクト部３０ｔはバンプ１２上に支持されている。

次いで、従来技術の欄で説明した付着力の問題を解決するための手段について以下に説明する。

本発明者らは、問題の解決を試みるためにＭＥＭＳスイッチの材料に着目した。スイッチの材料は２種類のグループに分けられる。金に代表される軟質金属の第１の材料グループでは、付着現象は起きやすいが、接触抵抗が小さく、接点材料として優れたものである。もう一つの第２の材料グループはプラチナに代表される硬質金属であり、付着現象は起きにくいが、接触抵抗が強く、接点材料としてはあまりふさわしくないものである。これまでの多くのスイッチでは、合金を作成して、それぞれの特徴を折衷し、製作されていた。本実施形態に係るスイッチでは、コンタクト部３０ｃの接点材料は金で構築する一方、バンプ１２をプラチナで形成している。一般に、接触力が強くなるほど接触抵抗は小さくなり、付着力は強くなるので、必要なだけの接触力は金でできたコンタクト部３０ｃに確保し、不要な分はプラチナでできたバンプ１２に分散させるように構成した。これにより、本発明者の試作スイッチによれば、Ａｕのみの形成時の付着力が２．７ｍＮに対して、Ｐｔのバンプ１２を用いたときの付着力を０．５ｍＮまで大幅に軽減することに成功した。さらに復帰力の強いばね３０ｐを配置し、残りの付着力を克服できるようにした。

上述のように大きな復元力を確保したことにより、駆動電圧が上昇するが、当該駆動電圧を低下させるために、電極間距離である初期間隔ｇを従来技術に比較して小さくすることにより、駆動電圧を大幅に低下させることができる。ここで、電極間距離を狭くしたことにより、可動電極３０Ａ，３０Ｂとコプレナ線路２０との間の寄生キャパシタンスが増大する。この問題点を解決するために、スリット３０ｓを形成することにより、挿入損失を大幅に低減できる。これらについては、下記の実施例において詳細後述する。

本発明者らが試作したＭＥＭＳスイッチの計算された特性を以下の表に示す。

図８は従来例、比較例及び実施例における駆動電圧の比較を示すグラフである。ここで、従来例は、Ａｕのバンプ１２及び初期間隔ｇ＝３μｍを有するものであり、比較例はＰｔのバンプ１２及び初期間隔ｇ＝３μｍを有するものであり、実施例はＰｔのバンプ及び初期間隔ｇ＝０．２μｍを有するものである。図８から明らかなように、Ｐｔのバンプ１２を用いかつ初期間隔ｇを従来例の１／１５となるように小さくすることにより、駆動電圧を携帯電話機の電池で駆動可能な３．１Ｖにすることができた。このことは、当該ＭＥＭＳスイッチを携帯電話機などのモバイルデバイスに実用化するうえで画期的なことである。

図９は図１のＭＥＭＳスイッチの初期間隔ｇに対するプルイン電圧を示すグラフであり、図１０は図９の拡大図である。なお、プルイン電圧とは、各ばね定数Ｋに対する駆動電圧をいう。すなわち、図９及び図１０は、プルイン電圧を初期間隔ｇとばね定数Ｋとの関数として示したものである。本図において、実線及び一点鎖線はＡｕのバンプ１２を有するスイッチに係るものであり、破線はＰｔのバンプ１２を有するスイッチに係るものである。３μｍの初期間隔ｇを有する従来例のスイッチは６７Ｖ（図９のＡ）を必要とし、１．５ｍＮの復元力を発生する。０．２μｍの初期間隔ｇを有する比較例のスイッチは５．２Ｖ（図１０のＢ）を必要とし、同じ復元力を有する。これに対して、Ｐｔのバンプ１２及び０．２μｍの初期間隔ｇを有する実施例のスイッチは、付着力が下がり、必要な復元力も下がることから、３．１Ｖ（図１０のＣ）しか必要としない。しかしながら、より狭い初期間隔ｇは、一般に、コンタクト部３１ｃ領域におけるキャパシタンスの増大に起因してＲＦ特性を悪化させる。

図１１は図１のＭＥＭＳスイッチのスリット３０ｓの有無及び初期間隔ｇをパラメータとしたときの挿入損失の周波数特性を示すグラフである。図１１から明らかなように、スリット３０ｓなしで初期間隔ｇ＝０．２μｍのときは非常に大きな挿入損失が発生するが、スリット３０ｓを設けることで、７０ＧＨｚにおいて−０．１６ｄＢというきわめて小さい挿入損失となることがわかる。

変形例．
図１４は本発明の第１の変形例に係るＭＥＭＳスイッチの構成を示す縦断面図である。図６の実施形態において、コンタクト部３０ｔを可動電極部材３０の材料と同一材料で形成しているが、本発明はこれに限らず、図１４に示すように、プラチナなどの硬質金属などの小さい付着力を有する材料で形成してもよい。図１４において、バンプ１２もプラチナなどの硬質金属などの小さい付着力を有する材料で形成されている。

図１５は本発明の第２の変形例に係るＭＥＭＳスイッチの構成を示す縦断面図である。図１４の第１の比較例に比較して、バンプ１２を、Ａｕなどの硬質金属などの大きな付着力を有する材料のバンプ１２Ａで形成している。

すなわち、図６、図１４及び図１５から明らかなように、コンタクト部３０ｔ及びバンプ１２の少なくとも一つがプラチナなどの硬質金属などの小さい付着力（金などの軟質金属の付着力に比較して小さい付着力をいう。）を有する材料で形成してもよい。

以上詳述したように、本発明に係るＭＥＭＳスイッチによれば、上記バンプ及び上記第２のコンタクト部のうちの少なくとも一つは、上記線路電極の導電性材料の付着力よりも小さい付着力を有する材料で形成されているので、付着力が減少したことから小さなばねの復元力によって、より小さい駆動電圧でスイッチを繰り返し駆動できる。すなわち、従来技術に比較して付着力を大幅に減少させてスイッチをオン／オフすることができ、駆動電圧を大幅に低下させることができる。また、当該ＭＥＭＳスイッチを、ＭＥＭＳ技術を用いたＬＳＩプロセスを用いて製造できるので集積化することができ、電荷の蓄積がないので高信頼性を有する。さらに、上記スリットを形成することで、挿入損失を大幅に減少させることができ、広帯域化しかつアイソレーション特性を向上できる。これにより、ＲＦ信号を良好に伝送することができるＲＦ特性を有するＭＥＭＳスイッチを提供できる。本発明に係るＭＥＭＳスイッチは、特に、携帯電話や無線ＬＡＮなどのＲＦ−ＭＥＭＳデバイスとして有用である。

本発明の一実施形態に係る抵抗シャント型ＭＥＭＳスイッチの構成を示す斜視図である。 図１の可動電極部材３０を取り外したときのＭＥＭＳスイッチの構成を示す斜視図である。 図１の可動電極部材３０の裏側を見たときの斜視図である。 図１のＭＥＭＳスイッチの製造工程を示す図であって、（ａ）はその第１の工程を示す縦断面図であり、（ｂ）はその第２の工程を示す縦断面図であり、（ｃ）はその第３の工程を示す縦断面図であり、（ｄ）はその第４の工程を示す縦断面図である。 図１のＭＥＭＳスイッチの製造工程を示す図であって、（ａ）はその第５の工程を示す縦断面図であり、（ｂ）はその第６の工程を示す縦断面図であり、（ｃ）はその第７の工程を示す縦断面図である。 図１のＭＥＭＳスイッチの電極非接触時（スイッチオン状態）の状態を示す縦断面図である。 図１のＭＥＭＳスイッチの電極接触時（スイッチオフ状態）の状態を示す縦断面図である。 従来例、比較例及び実施例における駆動電圧の比較を示すグラフである。 図１のＭＥＭＳスイッチの初期間隔ｇに対するプルイン電圧を示すグラフである。 図９の拡大図である。 図１のＭＥＭＳスイッチのスリット３０ｓの有無及び初期間隔ｇをパラメータとしたときの挿入損失の周波数特性を示すグラフである。 従来技術に係るＭＥＭＳスイッチの構成を示す斜視図である。 図１２の可動電極６０を裏面から見たときの斜視図である。 本発明の第１の変形例に係るＭＥＭＳスイッチの構成を示す縦断面図である。 本発明の第２の変形例に係るＭＥＭＳスイッチの構成を示す縦断面図である。

符号の説明

１０…シリコン基板、
１１…アンカー部、
１２，１２Ａ…バンプ、
２０…コプレナ線路、
２１…ストリップ導体、
２２，２３…接地導体、
２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ…延在接地導体、
２４，２５…固定電極、
２４ｓ，２５ｓ…ストリップ導体、
３０…可動電極部材、
３０Ａ，３０Ｂ…可動電極、
３０Ｃ…中央バー、
３０ａ…アンカー部、
３０ｂ…ブーム、
３０ｃ，３０ｔ，３０ｐ…コンタクト部、
３０ｐ…ばね部、
３０ｓ…スリット。

Claims (4)

1. 駆動電圧の印加時に可動電極部材を支持するために所定位置に形成されたバンプを有する基板と、
   上記基板上に形成されかつ所定の付着力を有する導電性材料にてなる線路電極と、
   上記基板上に形成されかつ導電性材料にてなる固定電極と、
   上記固定電極に対向する可動電極と、上記線路電極に対向する第１のコンタクト部と、上記バンプに対向する第２のコンタクト部とを有し、上記基板上でばねを介して、上記固定電極と上記可動電極との間での所定の初期間隔で支持されかつ導電性材料にてなる可動電極部材とを備え、
   上記固定電極に所定の駆動電圧を印加したときに、上記固定電極と上記可動電極との間に発生する静電気力により上記可動電極部材が上記基板方向に移動し、上記第１のコンタクト部と上記線路電極が接触して導通状態となるように構成されたＭＥＭＳスイッチにおいて、
   上記バンプ及び上記第２のコンタクト部のうちの少なくとも一つは、上記線路電極の導電性材料の付着力よりも小さい付着力を有する材料で形成され、
   上記可動電極部材は、上記固定電極と上記可動電極との間での初期間隔が上記所定の初期間隔よりも小さくなるように、上記基板上でばねを介して支持されたことを特徴とするＭＥＭＳスイッチ。
2. 上記小さい付着力を有する材料は、白金系金属、セラミックス、又は有機系樹脂であることを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳスイッチ。
3. 上記基板は誘電体基板又は半導体基板であり、上記導電性材料はＡｕ、Ａｇ又はＣｕであることを特徴とする請求項１又は２記載のＭＥＭＳスイッチ。
4. 上記可動電極部材は、上記線路電極に対向する位置において形成されたスリットを有することを特徴とする請求項１乃至３のうちのいずれか１つに記載のＭＥＭＳスイッチ。

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