(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にブリッジ部を有するＭＥＭＳデバイスの製造方法において、
前記ブリッジ部の材料として、その熱膨張率αｍが前記基板の熱膨張率αｋよりも大きい材料を用い、
前記基板上での前記ブリッジ部の形成を、当該ＭＥＭＳデバイスを構成する構造体の耐熱温度よりも低くかつ当該ＭＥＭＳデバイスの使用温度よりも高い温度で行い、
前記ブリッジ部を、第１層と前記第１層の前記基板とは反対側の表面に重ねられた第２層とを含むように形成し、
前記第１層の材料として、その熱膨張率αｍ１が前記第２層の熱膨張率αｍ２よりも小さい材料を用いる、
ＭＥＭＳデバイスの製造方法。
【請求項２】
前記基板の材料としてセラミクスを用い、前記第１層としてチタン、クロム、またはモリブデン、またはその合金を用い、前記第２層として金を用いる、
請求項１記載のＭＥＭＳデバイスの製造方法。
【請求項３】
前記基板の上に固定層を形成し、前記固定層で挟まれる空間に犠牲層を形成し、前記犠牲層の上に、前記固定層によって支持されるブリッジ部を形成し、その後前記犠牲層を除去する、
請求項１または２記載のＭＥＭＳデバイスの製造方法。
【請求項４】
前記犠牲層の材料として、その熱膨張率αｇが前記基板の熱膨張率αｋよりも大きい材料を用いる、
請求項３記載のＭＥＭＳデバイスの製造方法。
【請求項５】
前記犠牲層の材料として、銅またはその合金を用いる、
請求項４記載のＭＥＭＳデバイスの製造方法。
【請求項６】
基板と、
前記基板上に形成された固定層と、
前記固定層によって支持されるブリッジ部と、を有し、
前記ブリッジ部は、第１層と前記第１層の前記基板とは反対側の表面に重ねられた第２層とを含み、
前記基板の熱膨張率αｋ、前記第１層の熱膨張率αｍ１、前記第２層の熱膨張率αｍ２が、
αｋ＜αｍ１＜αｍ２
の関係を有する、
ＭＥＭＳデバイス。
【請求項７】
前記基板にはセラミクスが用いられ、前記第１層にはチタン、クロム、またはモリブデン、またはその合金が用いられ、前記第２層には金が用いられてなる、
請求項６記載のＭＥＭＳデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブリッジ構造を有するＭＥＭＳデバイスおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年において、携帯電話機をはじめとする移動体通信機の市場が拡大しており、これにともない移動体通信のサービスの範囲が拡大しかつ移動体通信機の機能が高度化している。また、移動体通信に用いられる無線周波数は次第にＧＨｚ以上の高い周波数にシフトし、また多チャンネル化する傾向がある。
【０００３】
このような市場の要求に応えることのできる技術またはデバイスとして、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）またはＭＥＭＳデバイス（マイクロマシンデバイス）が存在する。例えば、ＭＥＭＳデバイスの例である高周波フィルタ素子、高周波スイッチ素子、可変容量素子などが、移動体通信機の機能部品として用いられ、今後のさらなる高性能化が期待されている。
【０００４】
さて、このようなＭＥＭＳデバイスの多くは、ブリッジ構造（マイクロブリッジ構造）を有する。ブリッジ構造を有するＭＥＭＳデバイスは、基板上に固定端を形成し、固定端と固定端との間の溝を犠牲層で埋め、固定端および犠牲層の上面にブリッジを形成し、その後犠牲層を除去することによって製造される。
【０００５】
ＭＥＭＳデバイスのブリッジは、固定端の間においてたわむことなくできるだけ真っ直ぐに形成されることが、その性能の安定性の上から好ましい。
【０００６】
従来において、複数層によるビームを有し、複数層の中にビームのたわみを抑制するための応力バランス調整層が形成されたＭＥＭＳデバイスが開示されている（特許文献１）。
【０００７】
また、応力補償膜として設けられたポリイミド膜を介してＩＴＯ膜によって形成したブリッジ側電極をブリッジ部材の上に設けたスイッチング素子が開示されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−２７９８３１
【特許文献２】特開２００２−２３７２４５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献１に開示されたデバイスでは、電極層と対称的な断面構造を有する応力バランス調整層を形成して内部応力が釣り合うようにするので、その実際の調整が難しい。
【００１０】
特許文献２に開示されたデバイスでは、ブリッジ部材の材料であるＳｉＮｘとその上のＩＴＯ膜とは熱膨張率の差が大きいため、ズレが生じる可能性がある。また、特許文献２のデバイスは、応力補償膜の流動性を利用した機構に基づくものと考えられ、具体的かつ実践的な方法とはいえない。
【００１１】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、ブリッジ部に張力を与えることによってブリッジ部をたわむことなく形成し、動作の安定したＭＥＭＳデバイスを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本実施形態のＭＥＭＳデバイスの製造方法は、基板上にブリッジ部を有するＭＥＭＳデバイスの製造方法において、前記ブリッジ部の材料として、その熱膨張率αｍが前記基板の熱膨張率αｋよりも大きい材料を用い、前記基板上での前記ブリッジ部の形成を、当該ＭＥＭＳデバイスを構成する構造体の耐熱温度よりも低くかつ当該ＭＥＭＳデバイスの使用温度よりも高い温度で行い、前記ブリッジ部を、第１層と前記第１層の前記基板とは反対側の表面に重ねられた第２層とを含むように形成し、前記第１層の材料として、その熱膨張率αｍ１が前記第２層の熱膨張率αｍ２よりも小さい材料を用いる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によると、ブリッジ部に張力を与えることによってブリッジ部をたわむことなく形成し、動作の安定したＭＥＭＳデバイスを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態のＭＥＭＳデバイスの構造の例を示す断面図である。
【図２】ＭＥＭＳデバイスの製造工程において熱膨張した状態を示す断面図である。
【図３】ＭＥＭＳデバイスの製造方法の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１には、可変容量素子であるＭＥＭＳデバイス１が示されており、図２にはＭＥＭＳデバイス１の製造過程における熱膨張の様子が示されている。なお、これらの図は、熱膨張率の相違によってマイクロブリッジ構造に与えられる張力を説明するものであり、ＭＥＭＳデバイス１の実際的な構造を示すものではない。
【００１６】
図１において、ＭＥＭＳデバイス１は、基板１１、基板１１上に形成された第１固定層１２，１２、第２固定層１３，１３、駆動電極１４、下層電極１５、およびブリッジ部１６などを有する。
【００１７】
基板１１は、金属酸化物からなるセラミクス基板などであり、例えば平面視が矩形で板状である。
【００１８】
第１固定層１２および第２固定層１３は、メッキなどによって形成され、ブリッジ部１６の両端を支持する。つまり、第１固定層１２、第２固定層１３、およびブリッジ部１６によって、ブリッジ構造（マイクロブリッジ構造）を形成している。第１固定層１２は、ブリッジ部１６に電圧または電流を供給するための電極を兼用している。
【００１９】
駆動電極１４は、ＭＥＭＳデバイス１を駆動するための電極である。つまり、駆動電極１４とブリッジ部１６とによって静電アクチュエータが構成されており、それらの間に電圧を印加することにより、それらの間に静電引力が発生する。発生した静電引力によって、ブリッジ部１６が吸引されて図の下方に、つまり下層電極１５に近づく方向に変位する。
【００２０】
下層電極１５は、ブリッジ部１６との間に可変容量のコンデンサを構成する。つまり、下層電極１５とブリッジ部１６との間に、その対向部の面積、距離、およびそれらの間に介在する物質の誘電率に応じた静電容量のコンデンサが形成される。駆動電極１４に印加される電圧に応じてブリッジ部１６がたわみ、ブリッジ部１６と下層電極１５との間の距離が変化するので、これらの間の静電容量が可変される。なお、ブリッジ部１６と下層電極１５との間に適当な誘電体を設けてもよい。
【００２１】
駆動電極１４に印加する電圧を０にすると、静電引力が消失し、ブリッジ部１６はそれ自体の弾性力または張力によって元の位置に復帰する。
【００２２】
ブリッジ部１６は、第１層１６ａと、第１層１６ａの基板１１とは反対側の表面に重ねられた第２層１６ｂとを含む。つまり、ブリッジ部１６は、第１層１６ａおよび第２層１６ｂからなる複合膜（または多層膜）である。第１層１６ａの材料を選定することによって、第２固定層１３との間の密着性が向上する。
【００２３】
そして、ＭＥＭＳデバイス１において、基板１１の熱膨張率αｋ、第１層１６ａの熱膨張率αｍ１、第２層１６ｂの熱膨張率αｍ２との間に、
αｋ＜αｍ１＜αｍ２
の関係を有する。つまり、ブリッジ部１６の材料として、その熱膨張率αｍ１，αｍ２がいずれも基板１１の熱膨張率αｋよりも大きい材料が用いられている。また、ブリッジ部１６を構成する第１層１６ａの材料として、その熱膨張率αｍ１が第２層１６ｂの熱膨張率αｍ２よりも小さい材料が用いられている。
【００２４】
具体的には、基板１１の材料として、上に述べたようにセラミクスのような金属酸化物が用いられる。アルミナやサファイアなどを用いてもよい。第１層１６ａの材料には、チタン、クロム、またはモリブデン、またはその合金が用いられる。第２層１６ｂの材料には、金（Ａｕ）が用いられる。
【００２５】
セラミクスの熱膨張率（αｋ）は、９×１０-6／°Ｃ程度であり、チタン熱膨張率（αｍ１）は、１０×１０-6／°Ｃ程度であり、金の熱膨張率（αｍ２）は、１５×１０-6／°Ｃ程度である。ここでは、熱膨張率として２００°Ｃにおける線膨張率を用いた。
【００２６】
ＭＥＭＳデバイス１は、その製造工程において、２００°Ｃ程度の温度で各層が成膜されまたは成形され、２０〜５０°Ｃ程度の室温に冷却されて使用される。
【００２７】
したがって、ＭＥＭＳデバイス１の製造時には、それぞれの材料が熱膨張率に応じて延びていたものが、使用時には１５０°Ｃ以上の温度が低下するので、その分収縮した状態となっている。
【００２８】
すなわち、図２において、製造時のＭＥＭＳデバイス１Ｓは２００°Ｃ程度の高温となっており、それぞれの層は熱膨張率に応じて延びた状態である。矢印は熱膨張によって延びたことを示す。このときに、各層はそのときの温度で平行状態となっており、内部応力は発生していない状態である。しかし、その後に温度が低下すると、低下した温度に応じて材料が収縮し、収縮の度合いの違いによって内部応力が発生する。
【００２９】
温度が低下すると、材料の熱膨張率が大きいほど、温度が低下したときつまり使用時になったときの収縮が大きいので、収縮の量（長さ）は、第２層１６ｂが最も多く収縮し、次に第１層１６ａ、基板１１の順となる。
【００３０】
これらのうち、基板１１は最も強度的に強いので、全体の熱膨張または熱収縮について支配的である。したがって、基板１１は熱膨張率および温度変化に対応して収縮する。つまり、基板１１は、元の温度になれば元の長さに戻る。
【００３１】
しかし、第１層１６ａおよび第２層１６ｂは、その両端部が第１固定層１２および第２固定層１３を介して基板１１に固定されているので、実際には温度変化に応じて正確には収縮することができず、基板１１によって引き延ばされた状態となる。
【００３２】
すなわち、第１層１６ａおよび第２層１６ｂには、引っ張り応力が内部応力として残留することとなる。図１において、残留する引っ張り応力が矢印によって示されている。
【００３３】
したがって、使用時において、第１層１６ａおよび第２層１６ｂからなるブリッジ部１６は、その両端が引っ張られた状態となり、つまり張力が与えられた状態となり、ブリッジ部１６はたわむことなく、ピンと張った状態となる。これにより、ブリッジ部１６の平坦性精度および再現性が向上する。
【００３４】
さらに、第２層１６ｂの方が第１層１６ａよりも収縮の割合が大きいので、ブリッジ部１６は全体として第１層１６ａの方、つまり図１の下方へ若干反った状態または反り加減となる。つまり、ブリッジ部１６は、上面が凹のような状態となる。
【００３５】
したがって、駆動電極１４に電圧を印加するとブリッジ部１６が吸引されて図の下方に変位するのであるが、電圧が０のときに下方へ若干反り加減となっているので、電圧の印加による変位の方向が同じ方向となり、ブリッジ部１６の変位が安定する。これにより、ＭＥＭＳデバイス１の線型応答性が向上し、かつ信頼性が向上する。
【００３６】
因みに、電圧が０のときに上方へ反り加減となっていた場合には、駆動電極１４に電圧を印加したときにそれと反対の方向に変位することになるので、ブリッジ部１６の変位が不連続となり、動作が安定しない。また、ブリッジ部１６に対し何らの張力も与えられていない状態では、そのときの反りの状態が不確定で安定しないため、駆動電極１４に電圧を印加したときのブリッジ部１６の変位が不連続となる可能性があり、この場合も動作が不安定となる可能性がある。
【００３７】
なお、図２において、製造過程で用いられる犠牲層２１，２２が示されている。犠牲層２１，２２の材料として、その熱膨張率αｇが基板１１の熱膨張率αｋよりも大きい材料が用いられる。具体的には、犠牲層２１，２２の材料として、例えば銅が用いられる。銅の熱膨張率αｇは、１８×１０-6／°Ｃ程度である。
【００３８】
なお、犠牲層２１，２２の材料として、熱膨張率αｇが第１層１６ａの熱膨張率αｍ１と基板１１の熱膨張率αｋとの中間程度の材料を用いてもよい。しかし、犠牲層２１，２２は後で除去され、完成したＭＥＭＳデバイス１には存在しないので、熱膨張率αｇについては任意でもよい。
【００３９】
なお、ＭＥＭＳデバイス１における寸法の例を示すと、基板１１の長さは、５００μｍ程度、第１固定層１２の幅（図１の左右方向長さ）は、１００μｍ程度、ブリッジ部１６の厚さは、１μｍ程度、ブリッジ部１６と下層電極１５との間隔は、３〜５μｍ程度である。
【００４０】
このように、本実施形態のＭＥＭＳデバイス１においては、具体的な物理パラメータとして材料の熱膨張率に着目して材料が選定される。そして、製造時、特にブリッジ部１６を成膜によって形成する際の成膜温度を、そのときのプロセスにおいて構成材料が許容できる範囲内でできるだけ高温度に設定する。これにより、熱膨張率の相違による収縮量の相違によって、ブリッジ部１６に適度な張力が発生し、ピンと張った状態となる。
【００４１】
換言すれば、ブリッジ部１６が成膜される温度と成膜後に冷却された温度との温度差を利用し、材料による熱膨張率の差によってブリッジ部１６つまりマイクロブリッジ構造に張力を与えることができる。これにより、ＭＥＭＳデバイス１の性能の均一性が図られ、熱膨張率および成膜温度をパラメータとしたデバイスプロセスの設計が容易となる。
【００４２】
次に、ＭＥＭＳデバイス１の製造方法の一例について説明する。
【００４３】
図３（Ａ）に示すように、基板１１の表面の全面に、シード層となる金属薄膜、例えばチタン薄膜を、スパッタリングなどによって成膜する。その後、レジストによって所望のパターンを形成し、メッキによって中央部の下層電極１５および両側の第１固定層１２を形成する。メッキには例えば金を用いる。そして、レジストを除去し、不要な部分のシード層をイオンミリングなどによって除去する。
【００４４】
図３（Ｂ）に示すように、再び基板１１の表面の全面にシード層となる金属薄膜、例えば銅薄膜を、スパッタリングなどによって成膜する。その後、レジストパターンを形成し、第１固定層１２，１２によって挟まれる空間に犠牲層２１をメッキによって形成する。メッキには例えば銅を用いる。
【００４５】
犠牲層２１，２２の形成は２段階に分けて行う。まず、中央の下層電極１５の高さまで犠牲層２１を形成する。その後、レジストで新たなパターンを作成し、犠牲層２２を所望の高さまで形成する。レジストを除去した後、不要な部分のシード層をイオンミリングなどによって除去する。再びレジストパターンを作成し、第２固定層１３を犠牲層２２の高さまでメッキ成長させる。
【００４６】
図３（Ｃ）に示すように、基板１１の表面の全面に副マイクロブリッジである第１層１６ａ、および主マイクロブリッジである第２層１６ｂを、高温に維持した状態でスパッタリングによって成膜する。そのときの基板１１の温度は、基板１１およびその他デバイスを構成する構造体の耐熱温度以下の範囲内でできるだけ高温とする。
【００４７】
本実施形態では、犠牲層２１，２２に銅を用いるので、スパッタリング成膜する際の真空度やチャンババックグラウンドの影響もあるが、銅の酸化を防止する上では、実用上、５０〜３００°Ｃ程度の範囲が好ましい。なお、ＭＥＭＳデバイス１を車載用に用いる場合には使用時の温度が７０°Ｃ程度に上昇する可能性があるので、１００°Ｃ以上の温度で成膜するのが好ましい。また、銅の酸化の抑制が可能である場合や、基板１１の耐熱性が高い場合であっても、温度の上限を４００°Ｃ程度までとするのが好ましい。
【００４８】
図３（Ｄ）に示すように、第１層１６ａおよび第２層１６ｂの成膜が完了した後、マイクロブリッジ構造となる部分以外を除去し、犠牲層２１，２２をエッチングによって除去する。これによってＭＥＭＳデバイス１が完成する。なお、図３には示していないが、駆動電極１４は、例えば下層電極１５の形成の前後に形成しておけばよい。
【００４９】
上に述べた本実施形態において、ＭＥＭＳデバイス１の構造、形状、寸法、機能、用いる材料、温度、製造方法、製造順序などは一例であり、他の種々のものとすることが可能である。
【００５０】
本実施形態のＭＥＭＳデバイス１以外に、高周波フィルタ素子、高周波スイッチ素子、その他の種々のＭＥＭＳデバイスに適用することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１  ＭＥＭＳデバイス
１１  基板
１２  第１固定層
１３  第２固定層
１４  駆動電極
１５  下層電極
１６  ブリッジ部
１６ａ  第１層（ブリッジ部）
１６ｂ  第２層（ブリッジ部）
２１，２２  犠牲層
αｍ，αｋ，αｇ  熱膨張率
【図１】
0005446508.tif 000002
【図２】
0005446508.tif 000003
【図３】
0005446508.tif 000004