(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳＯＩ基板上に第１下部電極が形成された電極付きＳＯＩ基板を用い、前記ＳＯＩ基板の前記第１下部電極上に薄膜形成法によって第１圧電体の薄膜を成膜する工程と、
当該ＳＯＩ基板上に成膜された前記第１圧電体上に第１上部電極を形成する工程と、
前記ＳＯＩ基板の前記第１上部電極側に犠牲基板を接合する工程と、
前記犠牲基板が接合された前記ＳＯＩ基板の裏面側に露出するシリコン（Ｓｉ）層をエッチングにより除去し、前記ＳＯＩ基板を二酸化シリコン（ＳｉＯ２）層まで薄層化することによって振動板を形成する工程と、
前記振動板を構成する前記二酸化シリコン（ＳｉＯ２）層上に第２下部電極を形成する工程と、
前記第２下部電極上にスパッタリング法によって第２圧電体の薄膜を成膜する工程と、
前記第２圧電体上に第２上部電極を形成する工程と、
前記第２上部電極上に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層上にスイッチング用の可動接点となる可動電極を形成する工程と、
前記各工程を経て得られた前記犠牲基板から前記可動電極までの各層を含んだ積層構造体とは別に、ベース基板となるシリコン（Ｓｉ）基板上に固定電極が形成されたシリコン（Ｓｉ）構造体を作成しておき、前記積層構造体の前記可動電極が前記シリコン（Ｓｉ）構造体の前記固定電極に対して空隙を介して対向するように、前記積層構造体と前記シリコン（Ｓｉ）構造体とを接合する工程と、
前記積層構造体と前記シリコン（Ｓｉ）構造体とを接合した後に前記犠牲基板を除去する工程と、
を含むことを特徴とする圧電ＭＥＭＳスイッチの製造方法。
【請求項２】
ＳＯＩ基板上に第１下部電極が形成された電極付きＳＯＩ基板を用い、前記ＳＯＩ基板の前記第１下部電極上に薄膜形成法によって第１圧電体の薄膜を成膜する工程と、
当該ＳＯＩ基板上に成膜された前記第１圧電体上に第１上部電極を形成する工程と、
その後、前記ＳＯＩ基板の裏面側に露出するシリコン（Ｓｉ）層の一部を二酸化シリコン（ＳｉＯ２）層までエッチング加工して凹部を形成することにより、当該凹部に露出する前記二酸化シリコン（ＳｉＯ２）層の領域にダイアフラム構造の振動板を形成する工程と、
前記凹部の前記二酸化シリコン（ＳｉＯ２）層上に第２下部電極を形成する工程と、
前記第２下部電極上に薄膜形成法によって第２圧電体の薄膜を成膜する工程と、
前記第２圧電体上に第２上部電極を形成する工程と、
前記第２上部電極上に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層上にスイッチング用の可動接点となる可動電極を形成する工程と、
前記各工程を経て得られた前記第１上部電極から前記可動電極までの各層を含んだ積層構造体とは別に、ベース基板となるシリコン（Ｓｉ）基板上に固定電極が形成されたシリコン（Ｓｉ）構造体を用意し、前記積層構造体の前記可動電極が前記シリコン（Ｓｉ）構造体の前記固定電極に対して空隙を介して対向するように、前記積層構造体と前記シリコン（Ｓｉ）構造体とを接着する工程と、
を含むことを特徴とする圧電ＭＥＭＳスイッチの製造方法。
【請求項３】
前記凹部は、前記シリコン（Ｓｉ）層の下面から前記二酸化シリコン（ＳｉＯ２）層に向かって開口面積が徐々に小さくなるテーパー状の側面を有していることを特徴とする請求項２記載の圧電ＭＥＭＳスイッチの製造方法。
【請求項４】
前記第１圧電体と前記第２圧電体は、等しい膜厚で形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧電ＭＥＭＳスイッチの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical System）スイッチに係り、特に、圧電体薄膜を用いた圧電駆動方式のＭＥＭＳスイッチの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体製造プロセスを応用した微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）の研究・開発が盛んであり、ＭＥＭＳの応用例の１つであるＭＥＭＳスイッチの分野において、各種のスイッチ構造が提案されている（例えば、特許文献１，２）。
【０００３】
特許文献１では、可動メンブレンの表面に駆動源として、プラス（＋）、マイナス（−）の電極が交互に並んだ複数の作動フィンガを設け、これら電極間の静電引力を利用してメンブレンを変形させてスイッチのオン／オフ動作を起こす構造を提案している。また、同文献１では、スイッチオフ時の強制駆動を行うために、メンブレンの裏面側にも電極群を配置する構成が提案され、電極間のエアギャップの替わりに圧電材料を満たす構成も提案されている。
【０００４】
特許文献２では、基板に設置した第１のスイッチ駆動電極と、該基板上に空洞（空隙）を介在させて配置したダイアフラムに設置した第２のスイッチ駆動電極との間に電圧を印加し、これら電極間に発生する静電気力によってダイアフラムを撓ませることにより、電荷蓄積電極と第１のスイッチ駆動電極とがトンネル絶縁膜を介して接触する構造となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００５−５３６８４７号公報
【特許文献２】特開２００７−１５７５１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来提案されている静電方式のＭＥＭＳスイッチには次のような問題点がある。
【０００７】
（１）駆動電荷の蓄積や誘電体損失による高速応答性の低下（スティッキング現象）
静電力による誘引、反発によるスイッチング動作の場合、電極に隣接する誘電体への電荷蓄積により、高周波数領域での高速オンオフ駆動が追随できなくなる。あるいは隣接誘電体の高周波領域での誘電損失により、高周波数領域での高速オンオフ駆動が追随できなくなるといった問題がある。
【０００８】
（２）静電引き寄せ接点の経時粘着現象
静電力による誘引、反発によるスイッチング動作の場合、確実なオンオフ動作保証のために、なるべく引き寄せ距離（エアギャップ）を離して、かつ引き寄せ時の駆動電圧を大きくする必要がある。その場合、引き寄せ接点部分で粘着現象が発生しやすい。ここでいう「粘着現象」とは本来意図しない接着現象を指し、永続的に接点が貼り付いてしまう現象である。
【０００９】
（３）駆動回路の消費電力、回路コスト、回路規模
特にモバイル機器のような小型装置の場合、駆動系の回路はシンプルにする必要があるが、従来の静電駆動方式の場合、駆動電圧を高くする必要があったため、消費電力が大きかった。さらに静電力による誘引、反発の動作駆動を行う場合の駆動回路は、正負両符号の電圧駆動に対応させる必要があり、駆動ＩＣ等の駆動回路は正負電圧対応とするためにコスト及び回路サイズを低減できる範囲は制限されていた。
【００１０】
上記のような問題点に対し、本願発明者は、圧電駆動方式のＭＥＭＳスイッチを検討し、次のような技術課題に着目した。
【００１１】
［１］メンブレン振動板上に薄膜形成するときの反りによるスイッチ接触不良の問題
メンブレン上に圧電体薄膜を直接成膜する場合、メンブレンサイズにも依存するが、圧電膜応力によりメンブレン振動板部分が反ってしまうという課題がある。反り量が均一であれば設定駆動電圧等で補正が可能であるが、反り量が一定でない場合はスイッチ接点の接触不良に繋がり、確実なオンオフ動作が保証できない。
【００１２】
［２］スイッチオフ動作時の信頼性
メンブレンの片側に圧電体膜を形成し、スイッチオン時に電圧印加駆動してメンブレンを撓ませ、スイッチオフ時には圧電体駆動電圧を停止して、メンブレンのバネ力（元に戻ろうとする力）でスイッチオフ動作を行う場合、確実な接点の離間保証が難しい。さらに高速応答性も悪くなるという課題がある。
【００１３】
なお、圧電体膜の場合、逆電圧を印加することで、逆方向に駆動することも可能であるが、一般的に、印加する電圧は、圧電体の抗電圧以下でなければ逆方向駆動は行えない。仮に、抗電圧以上の電圧を印加すると、圧電体の分極反転が生じて、再度順方向への変位駆動となってしまう。したがって、確実な接点離間動作を保証するために、大きな電圧を印加して逆方向に大きな力を発生させる余地が少ない。
【００１４】
［３］オフ時強制離間のための逆電位駆動による駆動制御系のコストアップの問題
さらに逆方向に電位を与えるためには、駆動回路を正負電圧対応で設計する必要があり、駆動ＩＣ等の駆動回路のコストアップ、サイズアップとなる。
【００１５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、上記技術課題を解消し得る圧電ＭＥＭＳスイッチ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記目的を達成するために以下の発明態様を提供する。
【００１７】
（発明１）：発明１に係る圧電ＭＥＭＳスイッチは、ベース基板と、前記ベース基板に対して空隙を介して対向して配置される振動板と、前記振動板の前記空隙側と反対側の第１面に、第１下部電極、第１圧電体及び第２上部電極が積層形成されて成る第１圧電駆動部と、前記振動板の前記空隙側に面する第２面に、第２下部電極、第２圧電体及び第２上部電極が積層形成されて成る第２圧電駆動部と、前記ベース基板の前記空隙側に設けられた固定電極と、前記固定電極に対向して前記振動板の前記第２圧電駆動部側に固設され、前記振動板の変位に伴い前記固定電極に接離する可動電極と、を備えたことを特徴とする。
【００１８】
本発明によれば、ベース基板に設けた固定電極に対して、可動電極を近接／離間させるための駆動源として、振動板の表裏両面（第１面及び第２面）に、第１圧電駆動部及び第２圧電駆動部を有し、これら駆動源で発生する動力で振動板を動かすことにより、接点の導通（スイッチオン動作）及び接点の離間（スイッチオフ動作）の両動作を行う。これにより、確実なスイッチオンオフ動作が保証される。
【００１９】
（発明２）：発明２に係る圧電ＭＥＭＳスイッチは、発明１において、前記第１圧電体及び第２圧電体は、薄膜形成法によって成膜された圧電薄膜であることを特徴とする。
【００２０】
製造段階における振動板の反りを低減するという観点から、薄膜形成法を採用することが望ましい。薄膜形成法には、スパッタリング法に代表される物理的気相成長法（ＰＶＤ）の他、化学的気相成長法（ＣＶＤ）、液相成長法などがある。
【００２１】
特に熱応力低減のための低温成膜可能で、かつ駆動トルクが大きい数μm厚以上の厚膜形成可能なスパッタ法が望ましい。
【００２２】
（発明３）：発明３に係る圧電ＭＥＭＳスイッチは、発明１又は２において、前記第１下部電極及び前記第１上部電極の電極間に第１電圧を印加することにより、前記振動板を前記ベース基板の方向に変位させて前記可動電極を前記固定電極に接触させるスイッチオン動作が行われ、前記第２下部電極及び前記第２上部電極の電極間に第２電圧を印加することにより、前記振動板を前記ベース基板と反対方向に変位させて前記可動電極を前記固定電極から離間させるスイッチオフ動作が行われることを特徴とする。
【００２３】
かかる態様によれば、スイッチオン動作時に第１圧電駆動部を駆動して、振動板をベース基板に近づけ、スイッチオフ動作時に第２圧電駆動部を駆動して、振動板をベース基板から引き離す。
【００２４】
（発明４）：発明４に係る圧電ＭＥＭＳスイッチは、発明３において、前記スイッチオン動作時に印加される前記第１電圧と前記スイッチオフ動作時に印加される前記第２電圧は同一符号の電圧であることを特徴とする。
【００２５】
かかる態様によれば、正負電圧駆動に対応した駆動回路を採用する場合と比較して、回路コスト、回路サイズの低減を図ることができる。
【００２６】
（発明５）：発明５に係る圧電ＭＥＭＳスイッチは、発明４において、前記スイッチオン動作時に印加される前記第１電圧と前記スイッチオフ動作時に印加される前記第２電圧は、ともに正の電圧であることを特徴とする。
【００２７】
特に、プラス電圧による駆動系を採用することにより、一層の低コスト化、小サイズ化が可能である。
【００２８】
（発明６）：発明６に係る圧電ＭＥＭＳスイッチは、発明１乃至５のいずれか１項において、前記振動板は、可動領域の両端部が支持部材に固定された両持ち型のダイアフラム構造により支持されていることを特徴とする。
【００２９】
かかる態様によれば、片持ち梁構造（カンチレバー構造）と比較して、メカニカルな経時劣化変形や、材料疲労による強度低下などが少なく、信頼性の高いスイッチ素子を実現できる。
【００３０】
（発明７）：発明７は、発明１乃至６のいずれか１項に記載の圧電ＭＥＭＳスイッチを製造する方法を提供する。すなわち、発明７に係る圧電ＭＥＭＳスイッチの製造方法は、ＳＯＩ基板上に第１下部電極が形成された電極付きＳＯＩ基板を用い、前記ＳＯＩ基板の前記第１下部電極上に薄膜形成法によって第１圧電体の薄膜を成膜する工程と、当該ＳＯＩ基板上に成膜された前記第１圧電体上に第１上部電極を形成する工程と、前記ＳＯＩ基板の前記第１上部電極側に犠牲基板を接合する工程と、前記犠牲基板が接合された前記ＳＯＩ基板の裏面側に露出するシリコン（Ｓｉ）層をエッチングにより除去し、前記ＳＯＩ基板を二酸化シリコン（ＳｉＯ２）層まで薄層化することによって振動板を形成する工程と、前記振動板を構成する前記二酸化シリコン（ＳｉＯ２）層上に第２下部電極を形成する工程と、前記第２下部電極上にスパッタリング法によって第２圧電体の薄膜を成膜する工程と、前記第２圧電体上に第２上部電極を形成する工程と、前記第２上部電極上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層上にスイッチング用の可動接点となる可動電極を形成する工程と、前記各工程を経て得られた前記犠牲基板から前記可動電極までの各層を含んだ積層構造体とは別に、ベース基板となるシリコン（Ｓｉ）基板上に固定電極が形成されたシリコン（Ｓｉ）構造体を作成しておき、前記積層構造体の前記可動電極が前記シリコン（Ｓｉ）構造体の前記固定電極に対して空隙を介して対向するように、前記積層構造体と前記シリコン（Ｓｉ）構造体とを接合する工程と、前記積層構造体と前記シリコン（Ｓｉ）構造体とを接合した後に前記犠牲基板を除去する工程と、を含むことを特徴とする。
【００３１】
この製造方法を用いた場合、振動板表裏面の圧電薄膜形成及び圧電駆動電極（下部電極及び上部電極）工程をフラットなウエハー状態で実施することができパターニング工程が容易に遂行できる。さらに表裏面の電極引き出しもリソグラフィ工程で容易に設計、形成することが可能である。
【００３２】
（発明８）：発明８は、発明１乃至６のいずれか１項に記載の圧電ＭＥＭＳスイッチを製造する他の方法を提供する。すなわち、発明８に係る圧電ＭＥＭＳスイッチの製造方法は、ＳＯＩ基板上に第１下部電極が形成された電極付きＳＯＩ基板を用い、前記ＳＯＩ基板の前記第１下部電極上に薄膜形成法によって第１圧電体の薄膜を成膜する工程と、当該ＳＯＩ基板上に成膜された前記第１圧電体上に第１上部電極を形成する工程と、その後、前記ＳＯＩ基板の裏面側に露出するシリコン（Ｓｉ）層の一部を二酸化シリコン（ＳｉＯ２）層までエッチング加工して凹部を形成することにより、当該凹部に露出する前記二酸化シリコン（ＳｉＯ２）層の領域にダイアフラム構造の振動板を形成する工程と、前記凹部の前記二酸化シリコン（ＳｉＯ２）層上に第２下部電極を形成する工程と、前記第２下部電極上に薄膜形成法によって第２圧電体の薄膜を成膜する工程と、前記第２圧電体上に第２上部電極を形成する工程と、前記第２上部電極上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層上にスイッチング用の可動接点となる可動電極を形成する工程と、前記各工程を経て得られた前記第１上部電極から前記可動電極までの各層を含んだ積層構造体とは別に、ベース基板となるシリコン（Ｓｉ）基板上に固定電極が形成されたシリコン（Ｓｉ）構造体を用意し、前記積層構造体の前記可動電極が前記シリコン（Ｓｉ）構造体の前記固定電極に対して空隙を介して対向するように、前記積層構造体と前記シリコン（Ｓｉ）構造体とを接着する工程と、を含むことを特徴とする。
【００３３】
この製造方法を用いた場合、両持ち振動板構造であるメンブレン構造を接着工程なしでモノリシックに形成することができるため、駆動耐久性が優位であることが特徴である。裏面側の駆動電極配線が立体配線構造となり複雑な工程となるが、高い駆動信頼性が要求される場合には本方法が望ましい。
【００３４】
（発明９）：発明９に係る圧電ＭＥＭＳスイッチの製造方法は、発明８において、前記凹部は、前記シリコン（Ｓｉ）層の下面から前記二酸化シリコン（ＳｉＯ２）層に向かって開口面積が徐々に小さくなるテーパー状の側面を有していることを特徴とする。
【００３５】
かかる態様によれば、凹部の傾斜面を利用して第２下部電極、第２上部電極の各電極の引き出し電極パターンを形成しやすい。
【００３６】
（発明１０）：発明１０に係る圧電ＭＥＭＳスイッチの製造方法は、発明７乃至９のいずれか１項において、前記第１圧電体と前記第２圧電体は、等しい膜厚で形成されることを特徴とする。
【００３７】
かかる態様によれば、製造段階における振動板の反りを低減することができ、スイッチオンオフ動作の信頼性が向上する。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、スイッチ接点の接離動作を行う駆動源として、圧電駆動方式を採用し、振動板の表裏両面に圧電駆動部を設けた構成により、従来の静電方式と比較して高周波応答性（追従性）が高く、スイッチオフ時における振動板（メンブレン）の戻り方向にも強い駆動力を発揮できる。このため、接点の固着や粘着現象を低減することができる。
【００３９】
また、本発明によれば、振動板の両面に圧電体膜を形成したため、製造時における基板の反り（初期反り）を低減できる。このため、確実なスイッチオンオフ動作が可能となり、信頼性の向上を実現できる。
【００４０】
さらに、本発明によれば振動板の引き寄せ動作と、戻し動作を同一符号の電位（例えば、正の電位のみ）で駆動できるため、駆動ＩＣ回路系の単純化、低コスト化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態に係る圧電ＭＥＭＳスイッチの構造を示す断面図
【図２】第1実施例による圧電ＭＥＭＳスイッチの作成プロセスを示す工程図
【図３】第1実施例による圧電ＭＥＭＳスイッチの作成プロセスを示す工程図
【図４】駆動電圧波形とスイッチ電流の挙動を示す波形図
【図５】比較例として作成したＭＥＭＳスイッチの構成図
【図６】比較例における駆動電圧波形とスイッチ電流の挙動を示す波形図
【図７】第２実施例による圧電ＭＥＭＳスイッチの作成プロセスを示す工程図
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００４３】
＜圧電ＭＥＭＳスイッチの構造＞
図１は本発明の実施形態に係る圧電駆動方式のＭＥＭＳスイッチの構造を示す断面図である。このＭＥＭＳスイッチ１０（「圧電ＭＥＭＳスイッチ」に相当）は、ベース基板１２上に固定電極（固定接点）１４が配置され、この固定電極１４に対向して設けられたスイッチング用の可動電極（可動接点）１８を固定電極１４に対して接離動作させることにより、スイッチオンオフ動作を行うものである。なお、図１では１つのスイッチ素子のみを図示したが、ベース基板１２上に同様のスイッチ素子を複数形成することができる。
【００４４】
可動電極１８が設けられた振動板２０は、支持部材２２に支持され、ベース基板１２に対して空隙（空洞）２４を介して対向して配置される。振動板２０とベース基板１２の間に支持部材２２が介在する構造によって、ベース基板１２と振動板２０の間に空隙２４が形成され、可動電極１８と固定電極１４間に所定量の間隙（エアギャップ）Ｇが形成される。
【００４５】
本例の振動板２０は、変位し得る領域（可動領域）の両端部が支持部材２２に固定（拘束）された両持ち構造のダイアフラム構造（メンブレン構造）となっている。なお、振動板２０と支持部材２２はそれぞれ別々の部材として構成し、これらを接合してもよいし、振動板２０と支持部材２２を一体に形成した単一の部材（部品）として構成することも可能である。振動板２０の可動領域の周囲全周が支持部材２２によって拘束されているダイアフラム構造に限らず、可動領域を挟んで対向する両端部のみを支持部材２２によって拘束する梁持ち梁構造を採用することも可能である。
【００４６】
本実施形態に係るＭＥＭＳスイッチ１０は、振動板２０を変位させる駆動源として、振動板２０の表裏面に圧電駆動部（３０，４０）を備える。すなわち、振動板２０の表面２０Ａ（図１における上面、「第１面」に相当）及び裏面２０Ｂ（図１における下面、「第２面」に相当）には、それぞれ下部電極（３２，４２）、圧電体（３４，４４）及び上部電極（３６，４６）が積層構造で配置されている。
【００４７】
振動板２０の上側の表面２０Ａには、第１下部電極３２、第１圧電体３４、及び第１上部電極３６の各層が順次積層されており、電極（３２，３６）間に第１圧電体３４を介在させた層構造により第１圧電駆動部３０が構成される。第１下部電極３２と第１上部電極３６との間に電位差を与えると（電圧を印加すると）、これら電極間に介在する第１圧電体３４が変形する。第１下部電極３２は振動板２０に固定されているため、振動板２０上に拘束（固着）された第１圧電体３４に横方向（面方向）の圧縮応力が働くことにより、振動板２０は図１の下方向（下に凸の状態）に撓む。このように、振動板２０上に第１圧電駆動部３０を設置した構成により、d31モードの圧電歪みを利用して動作するユニモルフ型の圧電アクチュエータが形成されている。
【００４８】
振動板２０の裏面側も同様に、当該裏面２０Ｂから図１の下方向に向かって、第２下部電極４２、第２圧電体４４、及び第２上部電極４６の順に各層が積層形成されている。これら電極（４２，４６）間に第２圧電体４４を介在させた層構造により第２圧電駆動部４０が構成される。また、この第２上部電極４６の上（図１において下面）には絶縁膜４８を介して可動電極１８が設けられている。この可動電極１８は、既述のとおり、スイッチングの接点部となる。
【００４９】
なお、図１において、振動板２０の下面に第２下部電極４２が形成され、第２下部電極４２の下面に第２圧電体４４、さらにその下面に第２上部電極４６が形成される積層構造であり、「上」、「下」の用語の意味が図１の記載と相違している。これは振動板２０を挟んで上下に配置される第１圧電駆動部３０と第２圧電駆動部４０の対称的な関係から、部材（要素）の機能の共通性に注目した名称付けである。説明の便宜上、「上」、「下」という表現を用いるが、これら用語は、図１に示したＭＥＭＳスイッチ１０の上下方向に限定して解釈すべきではなく、ＭＥＭＳスイッチ１０の姿勢を変えた場合、或いは、見る方向を変えた場合などについて、本願の技術思想を逸脱しない範囲で合理的に解釈すべきものである。
【００５０】
当該振動板２０の裏面２０Ｂに配置した電極（４２，４６）間に駆動電圧を印加して第２圧電体４４に面方向（横方向）の圧縮応力が発生すると、振動板２０は図１の上方向（上に凸の状態）に撓む。このように、振動板２０上に（図１において振動板２０の下面に）第２圧電駆動部４０を設置した構成により、d31モードで動作するユニモフル型の圧電アクチュエータが形成されている。
【００５１】
本実施形態のＭＥＭＳスイッチ１０は、共通の振動板２０を挟んで上下に第１圧電駆動部３０、第２圧電駆動部４０を配置した構造により、各圧電駆動部（３０，４０）が生み出す強い圧電駆動力によって、振動板２０を下方向及び上方向の両方向に変位させることが可能である。
【００５２】
＜圧電体膜について＞
本例における第１圧電体３４及び第２圧電体４４は、ともにスパッタリング法に代表される薄膜形成法（薄膜形成プロセス）によって形成されたものである。薄膜形成法としては、スパッタリングに代えて、蒸着やＣＶＤ法などを用いてもよい。薄膜形成法を採用することにより、粉末を焼結して形成する場合のような研磨工程や分極処理工程が不要となり、製造が容易となる。
【００５３】
また、薄膜形成法によって、振動板２０の表裏両面に略同等の膜厚で圧電体膜（第１圧電体３４、第２圧電体４４）を形成することにより、振動板２０の反りを抑制することができる。なお、反り防止の観点から、特に、第１圧電体３４、第２圧電体４４について、同一の圧電材料（組成）で成膜する場合は、上記のように表裏両面の圧電体膜の膜厚を同一厚とすることが好ましいが、表裏の圧電体膜を含めて振動板全体が厚くなると、圧電駆動によって振動板が変位しにくくなることも懸念される。
【００５４】
スイッチ素子の主たる動作はオン動作であること、並びに、接点を離間駆動するための裏面側の圧電体膜は、スイッチオフ動作の信頼性向上（離間保証）を主目的として設けられた補佐的な役割であること、等の観点から、裏面側の圧電体膜を表側よりも薄くする構成を採用することも可能である。ただし、振動板の表裏で圧電体膜の膜厚を異ならせると、表裏の応力差に起因する反りの問題が発生するため、このような反りを低減する観点から、振動板の表裏面で圧電材料の組成を変えたり、成膜条件を変えたりするなどの手法によって、両面での応力をなるべく揃えるようにすることが好ましい。
【００５５】
具体的な方法としては、例えば、鉛、ジルコニア、チタンの三成分のうち、特に、鉛の量を少し（数％）調整することで応力を制御できる。
【００５６】
＜スイッチオン動作について＞
上記構成のＭＥＭＳスイッチ１０は、第１下部電極３２及び第１上部電極３６の電極間に所定の電位差（「第１電圧」に相当）を印加することにより、振動板２０が図１の下方向に変位し、可動電極１８が固定電極１４に接触する。このように第１圧電駆動部３０を駆動し、振動板２０をベース基板１２に引き寄せる動作を行うことにより、可動電極１８と固定電極１４とが導通し、スイッチオン（接点閉）の状態となる（図１（ｂ）参照）。
【００５７】
上記スイッチオンの状態からスイッチオフ（接点開）の状態にする場合は、第１圧電駆動部３０への電圧印加を解除する一方、第２圧電駆動部４０に電圧を印加する。すなわち、第２下部電極４２及び第２上部電極４６の電極間に所定の電位差（「第２電圧」に相当）を印加し、振動板２０を図１の上方向に変位させる。このように第２圧電駆動部４０を駆動し、振動板２０をベース基板１２から引き離す動作を行うことにより、可動電極１８を固定電極１４から強制的に離間させ、スイッチオフ（接点開）の状態とする。
【００５８】
本実施形態のＭＥＭＳスイッチ１０によれば、オン動作及びオフ動作のいずれの動作においても、第１圧電駆動部３０又は第２圧電駆動部４０によって振動板２０に強い動力（トルク）を与えることができる。これにより、確実なオン／オフ動作が可能であり、信頼性の高いスイッチを実現できる。
【００５９】
＜駆動電圧の極性について＞
第１圧電体３４及び第２圧電体４４の各圧電体層は、層面に垂直な方向に分極しており、
分極方向（分極の向き）によって、駆動電圧（電位）の符号と振動板２０が変位する方向の関係が規定される。
【００６０】
第１圧電駆動部３０を駆動するために印加する駆動電圧（「第１電圧」に相当）と第２圧電駆動部４０を駆動するために印加する駆動電圧（「第２電圧」に相当）は同一符号の電圧であることが望ましい。
【００６１】
正（プラス）又は負（マイナス）のいずれか一方の極の電位で第１圧電駆動部３０と第２圧電駆動部４０を駆動する構成を採用することにより、正負両極の駆動電圧を利用する構成と比較して、駆動回路（駆動ＩＣ）の低コスト化、回路サイズ（規模）の小型化を達成することができる。
【００６２】
プラス電圧のみによる駆動、或いは、マイナス電圧のみによる駆動のいずれの構成も可能であるが、特に、プラス電圧で駆動する構成が好ましい。通常、プラス電圧で動作させる回路が汎用的であり、マイナス用のＩＣ（集積回路）はプラス駆動用よりも回路サイズが大きいためである。
【００６３】
＜ＭＥＭＳスイッチの製造方法：第１実施例＞
次に、本発明の実施形態に係るＭＥＭＳスイッチの作成プロセスについて具体的な実施例で説明する。図２〜図３は第１実施例に係る作成プロセスを示す工程図である。
【００６４】
（手順１）まず、成膜基板として、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板６０上に３０ｎｍ厚のＴｉ密着層７０と１５０ｎｍ厚のＰｔ下部電極７１とが順次積層された電極付き基板を用意した（図２（ａ）参照）。ＳＯＩ基板６０は、シリコン（Ｓｉ）層６１，６２の間に酸化膜層（ＳｉＯ２層）６３が介装された構造を有する。Ｔｉ密着層７０とＰｔ下部電極７１の積層構造により下部電極７２（「第１下部電極」に相当）が構成される。
【００６５】
（手順２）次いで、Ｐｂ１．３Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８Ｏ３のターゲットを用い、高周波（ＲＦ）スパッタリング装置により、５μｍ厚のＰＺＴ圧電体膜７４（「第１圧電体」に相当）を成膜した（図２（ｂ）参照）。成膜条件は以下の通りとした。
【００６６】
・基板温度：５２５℃、
・ターゲット印加電圧：２．５Ｗ／ｃｍ２、
・基板−ターゲット間距離：６０ｍｍ、
・真空度：０．５Ｐａ、
・成膜ガス：Ａｒ／Ｏ２混合ガス（Ｏ２分圧１．３モル％）、
（手順３）その後、通常のフォトリソグラフィー法により上部電極７６（「第１上部電極」に相当）をパターン形成した（図２（ｂ）参照）。上部電極７６は、５０ｎｍ厚のＴｉ層と２００ｎｍ厚のＰｔ層との積層構造とした。
【００６７】
（手順４）その後、ＳＯＩ基板６０の上部電極７６側にシリコン（Ｓｉ）の犠牲基板７８を直接圧着接合した（図２（ｃ））。この犠牲基板７８はハンドリングを容易にするために接合される。なお、犠牲基板７８の接合に際して、接着剤による接合も考えられる。ただし、本例では、成膜時に基板温度を５２５℃とする高温のプロセスを採用しているため、接着剤を用いずに、電極とシリコンの直接接合の方式を採用している。成膜温度が３００℃程度以下のプロセスであれば、ポリイミド系など有機系の高温対応粘着剤を使用することが可能である。
【００６８】
（手順５）次に、ＳＯＩ基板６０裏面側をリアクティブイオンエッチングしてＳｉ層６１を除去する（図２（ｄ）参照）。ＳＯＩ基板６０の埋め込み酸化膜（ＳｉＯ２層）６３がストップ層となり、エッチングがストップする。なお、ドライエッチングが一般的であるが、ウエットエッチングでもよい。
【００６９】
ＳＯＩ基板６０のＳｉ層６１をＳｉＯ２層６３までエッチングして、ＳＯＩ基板６０を薄層化することにより、残ったＳｉＯ２層６３とその上のシリコン層６２とで振動板８０が形成される。本例の場合、振動板８０の厚みは１０μｍ程度とした。
【００７０】
（手順６）振動板８０の裏面側についても、表面側と同様に、裏下部電極９２（「第２下部電極」に相当）、ＰＺＴ圧電体膜９４（「第２圧電体」に相当）、裏上部電極９６（「第２上部電極」に相当）を形成した（図２（ｅ）参照）。
【００７１】
各電極（９２、９６）、圧電体膜９４ともに、材料系や厚みなど設計仕様は、手順１〜３で説明した表側の形成工程と同一とした。振動板８０の裏面に表側と同一の仕様の電極（９２、９６）、圧電体（９４）を形成したことにより、当初反っていた振動板８０基板の反りが改善されたことが確認された。
【００７２】
（手順７）次に、図３（ｆ）に示すように、裏上部電極９６の下面に絶縁層９８を形成し、さらにその下面にスイッチ用配線電極１００と可動電極（接点電極）１１８を形成した。
【００７３】
絶縁層９８はポリイミドなどのポリマー材料でもよいし、ＳｉＯ２などの無機膜でもよい。ただし、メンブレン変位（振動板２０の変位）を低下させないためには、絶縁層９８厚みは薄い方が望ましく、かつクラック等の生じにくい柔らかい材料系が望ましい。
【００７４】
例えば、感光性ポリイミドを使用した場合、絶縁層９８の厚みは約３μm、ＳｉＯ２を用いた場合は厚み約５００ｎｍとした。
【００７５】
（手順８）上記手順１〜７とは別の工程で、予めシリコン（Ｓｉ）基板をエッチング加工して、支持部材１２２となる部分や固定電極１１４及び必要な配線電極を含んだスイッチ回路を形成したＳｉ構造体１３０を作成しておき、手順１〜７を経て得られた積層構造体１４０とＳｉ構造体１３０とを接着剤にて接合し、メンブレンスイッチ構造とした（図３（ｇ）参照）。本例ではメンブレン構造の高さ（スイッチ接点距離Ｇ）は５μｍとした。
【００７６】
（手順９）その後、犠牲基板７８を除去した（図３（ｈ）参照）。
【００７７】
＜ＭＥＭＳスイッチの動作確認＞
図２及び図３で説明した第１実施例の作成プロセスによって得られた素子のスイッチ動作を確認した。振動板８０の表側の圧電体膜７４に駆動電圧１０Ｖを印加したところ、スイッチ接点が接触し、スイッチオン動作が確認された。また、オフ位相時に裏面側の圧電体膜９４に５〜１０Ｖの駆動電圧を印加する事で、スイッチ接点が離間し、確実なオフ動作が確認された。
【００７８】
図４は、駆動電圧波形とスイッチ動作の関係を示す波形図である。図４（ａ）は、振動板８０の表側の圧電体膜７４に印加した電圧（表圧電駆動における駆動電圧）を示し、図４（ｂ）は振動板８０の裏側の圧電体膜９４に印加した電圧（裏圧電駆動における駆動電圧）を示している。なお、横軸は時間、縦軸は下部電極の電位を基準とした電圧値［Ｖ］を表している。図４（ｃ）は、スイッチ接点が閉じた時（可動電極１１８が固定電極１１４に接触した時）に回路に流れるスイッチ電流の電流値を示している。
【００７９】
図４に示すとおり、表側の圧電体膜７４に駆動電圧を印加したタイミングで接点が閉じてスイッチＯＮとなり、スイッチ電流が流れる。その後、表側の圧電体膜７４への駆動電圧の印加を解除するタイミングで裏側の圧電体膜９４に駆動電圧を印加することで、接点が離間してスイッチＯＦＦとなり、スイッチ電流が遮断される。このように、振動板８０における表裏両側の圧電駆動により、オン動作及びオフ動作の両動作について振動板８０にトルクを与えて可動接点（可動電極１１８）を接離させる構成を採用したため、確実なスイッチオンオフ動作が保証される。
【００８０】
図４（ａ）（ｂ）では、表圧電駆動における駆動電圧と、裏圧電駆動における駆動電圧を同じ電圧値としているが、異なる電圧値とすることも可能である。特に、オフ動作時には振動板８０が元の状態に戻ろうとする戻り力（復元力）も作用するため、裏圧電駆動における駆動電圧を表圧電駆動における駆動電圧よりも低い電圧値に設定することが可能である。
【００８１】
＜比較例＞
比較例として、図５のように振動板８０の上部側（片側）のみに圧電駆動部（下部電極７２，圧電体膜７４，上部電極７６）を形成した構成を作成した。この比較例では、振動板８０の片側にのみ圧電体膜７４が形成されているため、圧電体膜の膜厚と垂直方向の引っ張り応力による振動板８０の上方向凸の反りが確認された。この方向の反りは、反り量によっては駆動電圧を印加してもスイッチ接点が接触しない方向であり、スイッチオンオフ動作保証の信頼性を著しく落とすことが判明した。
【００８２】
さらに、図５のスイッチ素子に対して、図６（ａ）に示す駆動波形を圧電体膜７４に印加し、スイッチオフ時の駆動時は振動板８０の戻り力のみで動作させたところ、特に高周波領域においてスイッチ電流の切れが悪くなった（図６（ｂ）参照）。
【００８３】
＜ＭＥＭＳスイッチの製造方法：第２実施例＞
次に、本発明の実施形態に係るＭＥＭＳスイッチの作成プロセスの第２実施例を説明する。図２〜３で説明した作成プロセスに限らず、下記のようなプロセスを採用してもよい。図７は第２実施例に係る作成プロセスを示す工程図である。なお、図７中、図２〜図３で説明した構成と同一又は類似の要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００８４】
（手順１）まず、図２で説明した第１実施例の手順１〜３と同様の手順により、図７（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板６０上に、下部電極７２、ＰＺＴ圧電体膜７４、上部電極７６を積層形成する。
【００８５】
（手順２）次に、図７（ｂ）に示すように、ＳＯＩ基板６０の下側のＳｉ層６１をエッチング加工（例えば、ドライエッチング）して凹部１５０を形成し、メンブレン構造（ダイアフラム構造）を形成する。エッチングの際には、削りたくない部分をレジスト１６０でマスクし、プラズマをあてる。これにより、レジスト１６０のマスクパターンの開口部分ついてエンチングが行われる。本例では、埋め込み酸化膜（ＳｉＯ２層）６３がストップ層となり、凹部１５０に露出したＳｉＯ２層６３とその上のシリコン層６２とで振動板８０が形成される。
【００８６】
当該凹部１５０は、図示のように、シリコン層６１の下面からＳｉＯ２層６３に向かって開口面積が徐々に小さくなるテーパー状の側面１５０Ａを有している。このように凹部１５０の内側の側面を傾斜面とすることにより、後の工程（図７（ｃ）参照）で、凹部１５０の内側から外部に配線を引き出すための配線電極のパターニングが容易となる。なお、傾斜した側面１５０Ａを持つ凹部１５０は、エンチングの条件及び／又はマスクパターンの形状をコントロールすることによって実現できる。例えば、[１]基板面に対して斜め方向からプラズマを当てる、[２]基板を傾斜回転させる、[３]レジスト１６０によるパターン形状を工夫する、或いはこれらを適宜組み合わせることにより、傾斜面を有する凹部を形成することが可能である。
【００８７】
（手順３）次に、レジスト１６０を除去し、振動板８０の裏面側、すなわち、凹部１５０の内側に裏下部電極９２、圧電体膜９４（第２圧電体に相当）、裏上部電極９６を形成する。裏下部電極９２の配線パターン１９２は図７の左側の斜面に沿って形成され、図７の左側に配線が引き出される。裏上部電極９６の配線パターン１９６は、図７の右側の斜面に沿って形成され図７の右側に配線が引き出される。このように、裏下部電極９２と裏上部電極９６は、それぞれ互い違いに配線を引き出すように配線パターンが形成される。
【００８８】
（手順４）次に、裏上部電極９６の下面に絶縁層９８を形成し、さらにその下面にスイッチ用配線電極１００と可動電極（接点電極）１１８を形成する（図７（ｄ）参照）。
【００８９】
（手順５）その一方で、上記の手順１〜４を経て得られた積層構造体１４０’とは別に、ベース基板となるシリコン（Ｓｉ）基板１３２上に固定電極１１４が形成されたシリコン（Ｓｉ）構造体１３０を用意し、積層構造体１４０’とシリコン（Ｓｉ）構造体１３０とを接着する（図７（ｄ）参照）。
【００９０】
＜本発明の実施形態による作用効果＞
上述した本発明の実施形態によれば、次のような作用効果を奏する。
【００９１】
<1>圧電駆動方式を採用したことにより、静電駆動方式と比較して、高周波対応が可能であり、高周波での高速オンオフ駆動が可能である。
【００９２】
<2>スイッチの接点を離間させる際の戻り方向についても圧電駆動により強い力を与えることができるため、接点の固着や粘着現象を低減することができる。また、スイッチオフ動作において、接点を確実に離間させることができ、信頼性の高いスイッチ動作を保証することができる。
【００９３】
<3>表裏両側の圧電駆動部を同じ符号の電位で駆動させることが可能であり、駆動ＩＣ等の駆動回路を正電圧対応又は負電圧対応のいずれかの回路構成とすることができる。このような直流駆動により、回路コストの低減及び回路サイズの低減が可能である。
【００９４】
<4>振動板２０の表裏両面に圧電膜を形成したことにより、振動板２０の反りを低減することができる。これにより、基材の反りに起因する接触不良等を防止することができ、確実なスイッチオンオフ動作が保証され、スイッチ動作の信頼性が向上する。
【００９５】
<5>本発明の実施に際して、振動板２０の支持構造として、片持ち梁構造（カンチレバー構造）を採用する態様も可能である。ただし、片持ち梁構造の場合、支点が片側になるため、剛性が低くなり、スイッチング動作に伴う経時劣化変形、材料疲労による強度低下など、確実なスイッチング動作が保証できなくなる場合も想定される。そのため、図１〜７で説明したように、両持ち構造のダイアフラム型がより望ましい形態である。
【００９６】
＜その他の作用効果＞
上述の実施形態では、振動板２０の表裏面に設けた第１圧電駆動部３０と第２圧電駆動部４０を同一符号の駆動電圧で駆動することの利点を述べたが、仮に、これらの第１圧電駆動部３０と第２圧電駆動部４０に対して、正負の電位を印加できる駆動系を採用した場合には、表裏圧電体の同時駆動による駆動力（トルク）の増大を達成することができる。
【００９７】
例えば、表側の第１圧電駆動部３０に正の電圧を印加すると同時に、裏側の第２圧電駆動部４０に負の電圧を印加することで、表裏面両方の圧電駆動部（３０，４０）によって振動板２０を同じ方向に駆動する力を与える。このような構成によって、より一層の駆動力アップが可能であり、より確実なオンオフスイッチ動作を実現できる。
【００９８】
＜他の変形例＞
本発明の実施に際しては、図２乃至図４で説明した第１実施例、図７で説明した第２実施例における圧電体の材料、電極の材料、成膜条件、膜厚寸法、駆動電圧等の条件に限定されず、様々な条件で実施することが可能である。
【００９９】
また、上述の実施形態では、１つの固定電極１４に対して、可動電極１８が当接する構造を例示したが、本発明の実施に際しては、ベース基板上に複数の固定電極（例えば、第１固定電極、第２固定電極）を配置し、可動電極がこれら複数の固定電極に接触することによって複数の固定電極間が導通（スイッチオン）し、可動電極が複数の固定電極から離間することによって固定電極間が非導通（スイッチオフ）の状態となるスイッチ構造を採用してもよい。
【符号の説明】
【０１００】
１０…ＭＥＭＳスイッチ、１２…ベース基板、１４…固定電極、１８…可動電極、２０…振動板、２２…支持部材、２４…空隙、３０…第１圧電駆動部、３２…第１下部電極、３４…第１圧電体、３６…第１上部電極、４０…第２圧電駆動部、４２…第２下部電極、４４…第２圧電体、４６…第２上部電極、４８…絶縁膜、６０…ＳＯＩ基板、６１…シリコン（Ｓｉ）層、６２…シリコン（Ｓｉ）層、６３…酸化膜（ＳｉＯ２）層、７２…下部電極、７４…圧電体膜、７６…上部電極、７８…犠牲基板、８０…振動板、９２…裏下部電極、９４…圧電体膜、９６…裏上部電極、９８…絶縁層、１１４…固定電極、１１８…可動電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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