(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＲＦスイッチであって、
基板と、
前記基板上に形成され、第１のＲＦ端子を規定するエアーブリッジ・ビームと、
前記基板上において、前記エアーブリッジ・ビームと同一のメタライゼーション層で該ビームと隣接して形成され、１つ以上の第２の固定ＲＦ端子を規定する１つ以上の金属トレースと、
を備え、前記エアーブリッジ・ビームが、該エアーブリッジ・ビームと前記１つ以上の第２の固定ＲＦ端子の１つとの間の静電力によって、前記１つ以上の第２の固定ＲＦ端子に向かって偏倚し接触するように構成される、ＲＦスイッチ。
【請求項２】
請求項１記載のＲＦスイッチにおいて、前記基板がガリウム砒素（ＧａＡｓ）から形成されるＲＦスイッチ。
【請求項３】
請求項１記載のＲＦスイッチにおいて、前記１つ以上の金属トレースが、前記ビームに対してほぼ平行であるＲＦスイッチ。
【請求項４】
請求項１記載のＲＦスイッチにおいて、前記金属トレースが前記ビームに対してほぼ垂直であるＲＦスイッチ。
【請求項５】
請求項１記載のＲＦスイッチにおいて、前記ビームの幅が一定でないＲＦスイッチ。
【請求項６】
請求項１記載のＲＦスイッチにおいて、前記基板がシリコンから形成されるＲＦスイッチ。
【請求項７】
請求項１記載のＲＦスイッチにおいて、２つの金属トレースによりスイッチが形成され、各トレースが前記エアーブリッジ・ビームの反対側に配置され、前記エアーブリッジ・ビームが偏倚された位置にあるとき、前記２つのトレースのすくなくとも１つが前記エアーブリッジ・ビームと接触するように配置され、前記トレースはＤＣ電圧を受けるための接点を規定する、ＲＦスイッチ。
【請求項８】
請求項１記載のＲＦスイッチにおいて、さらに、前記エアーブリッジ・ビームに隣接して１つ以上のＤＣ端子を含む、ＲＦスイッチ。
【請求項９】
ＲＦスイッチを形成するプロセスであって、
（ａ）基板を設けるステップと、
（ｂ）前記基板上に支持部を形成するステップと、
（ｃ）前記支持部上に金属ビームを堆積し、その金属ビームと同一のメタライゼーション層で、前記金属ビームと隣接して、１つ以上の金属トレースを堆積するステップと、
（ｄ）前記支持部を除去してエアーブリッジ・ビームを形成するステップと、
を含むプロセス。
【請求項１０】
請求項９記載のプロセスにおいて、前記支持部を形成する際、
前記基板上に第１フォトレジストをスピン加工するステップと、
前記支持部を規定する前記第１フォトレジストの部分を除く全てをフォトリソグラフィによって除去するステップと、
前記第１フォトレジストを比較的高い温度に晒し、前記第１フォトレジストの角を丸めるステップと、
によって形成するプロセス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＲＦスイッチおよびＲＦスイッチの製作プロセスに関し、更に特定すれば、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍ）技術によって製造し、基板に対してほぼ平行な単一面におけるスイッチの撓み（偏倚）を可能とする平面エアブリッジを含み、このため単一レベルのメタライゼーションのみがあればよく、公知のスイッチと比較してスイッチの製造を大幅に簡略化するＲＦスイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＲＦスイッチは、広範囲に及ぶ種々の用途に用いられている。例えば、かかるＲＦスイッチは、可変ＲＦ移相器、ＲＦ信号スイッチング・アレイ、切り替え可能な同調素子に用いられ、更に電圧制御発振器（ＶＣＯ）の連動スイッチング（ｇａｎｇ  ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）にも用いられていることが知られている。かかるＲＦスイッチの小型化および軽量化を図るために、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術を用いてかかるスイッチを製造することは公知である。ＭＥＭＳ技術とは、集積回路を製造するのと非常に類似した方法で、微細加工を用いて種々の部品を製造するプロセスのことである。
【０００３】
ＭＥＭＳ技術を用いて製造したスイッチは、通常、１つ以上の金属トレースおよび制御パッドを有する基板を含む。１つ以上の金属トレースとの１つ以上の接点を形成するために、エアーブリッジ・ビームを基板上に形成することは公知である。しかしながら、単投のみである。かかるスイッチは、通常、多数のメタライゼーション・レベルを必要とする。
【０００４】
静電力を用いて、接点の開閉を制御することは公知である。即ち、制御パッドを外部ＤＣ電圧源に接続する。ＤＣ電圧を制御接点に印加すると、静電力によってビームが偏倚し（撓み）、接点の１つと接触することによって、ＲＦ接点を規定する金属トレースとビームとの間の回路を閉成する。既知のスイッチの一部には、ＤＣ電圧を制御パッドから除去すると、ビームの弾力性によってその正常位置に撓んで戻るものもある。他の公知のスイッチでは、正常位置にビームを戻すには、静電力が必要である。かかるスイッチでは、ビームの撓みは、通常基板の面に対して概略的に垂直な面において生ずる。
【０００５】
米国特許第５，６１９，０６１号、特に’０６１号特許の図１８Ａないし図１８Ｄは、多数のメタライゼーション・レベルで形成された、単極構成のＲＦスイッチを開示する。即ち、’０６１特許は、対向する両縁上に薄い金属ヒンジによって懸垂されたビームを含むＲＦスイッチを開示する。更に具体的には、ビームは基板から離間され、薄い金属ヒンジによって、各縁に沿って中間付近において懸垂されている。金属トレースが基板に被着され、ビームのエッジと位置合わせされている。金属トレースに隣接して、基板上に制御パッドが配置されている。制御パッドにＤＣ電圧を印加すると、静電引力によってビームが時計方向または反時計方向に回転し、基板上の金属トレースの１つと接触する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
かかるＲＦスイッチには、いくつかの欠点があることが知られている。例えば、かかるスイッチは、最少でも２レベルの金属デポジション（堆積）を必要とするため、製造プロセスの複雑化を招く。加えて、かかるスイッチは、動作に比較的高い電圧、典型的に、２０ないし３０ボルトを必要とすることも公知である。比較的高い電圧が必要なのは、エアーブリッジの長さが崩壊の可能性のために制限されること、またはビームおよびＤＣ制御パッド間の距離が長いことのいずれかによるためである。金属フラップまたはメンブレーンの下に異物が入り込む可能性があるために、かかるスイッチは通常単投設計に限定される。何故なら、通常投数が多くなる程金属堆積段の一層の複雑化が必要となり、より低いレベルに崩壊する虞れがあるからである。加えて、これらの種類のスイッチに対する不良モードの１つに、いわゆる「張り付き（ｓｔｉｃｋｉｎｇ  ｏｎ）」があり、スイッチが「オン」位置に永続的に止まってしまう。したがって、ＭＥＭＳ技術を用いた製造に適しており、製造の複雑性が緩和され、「張り付き」の問題を解消し、単一のメタライゼーション・レベルのみがあればよい、多投型ＲＦスイッチを提供することが求められている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、概述すると、ＲＦスイッチおよびＲＦスイッチの製造プロセスに関する。ＲＦスイッチは、多数のストローク（ｔｈｒｏｗ）を含み、単一のメタライゼーション層のみを利用して製造することが可能である。本発明によるスイッチは、１つ以上の金属トレースに隣接して配置された、１つ以上のエアーブリッジ懸垂ビームを含む。エアーブリッジ懸垂ビームに隣接して、１つ以上の制御パッドが配置され、スイッチを静電的に動作させる。懸垂ビームならびに金属トレースおよび接点パッドは、全て単一のメタライゼーション層で製作する。スイッチは、ビームの撓み（偏倚）が基板の面に対してほぼ平行な面で生ずるように構成されている。多数のメタライゼーション層を不要とすることにより、スイッチを製造する際の複雑性は大幅に減少する。更に、このスイッチ構成は、単一のメタライゼーション・レベルを用いて、多投多極も可能である。
【０００８】
本発明のこれらおよびその他の利点は、以下の明細書および添付図面を参照することにより容易に理解されよう。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、微小電気機械スイッチ（ＭＥＭＳ）技術を用いた製造に適したＲＦスイッチに関する。本発明の重要な態様によれば、スイッチの撓み（偏倚）は、概ね、基板の面に対してほぼ平行な面において行われる。本発明によるスイッチは、単極単投および多極多投を含む種々の構成において、単一のメタライゼーション・レベルのみを用いて製造することができ、製造プロセスの簡略化およびスイッチのコスト削減が可能となる。
【００１０】
図１を参照すると、本発明によるスイッチの斜視図が示されており、全体的に参照番号２０で識別されている。スイッチ２０は、クオーツまたはガリウム砒素（ＧａＡｓ）のような半導体基板というような、全体的に平面状の絶縁基板２２上に形成されている。絶縁基板２２は、その上面上を絶縁膜の層（図示せず）で覆い、電流の漏れを防止することも可能である。図示のように、スイッチ２０は、１つ以上の離間した平行金属トレース２６、２８に隣接して配置されたエアーブリッジとして形成されたビーム２４を含む。静電力を用いてエアーブリッジ２４を偏倚させ、金属トレース２６または２８の一方と接触させることができる。トレース２６、２８の一部をエアーブリッジ２４と同じ高さまで高くして、静電力および接触面積を最大にすることも可能である。更に具体的には、ＲＦ入力ＲＦｉｎを、例えば、外部ブロッキング・コンデンサ３０を介して、ビーム２４に印加する。ブロッキング・コンデンサ３０は、チョーク３１または終端抵抗３２によって、接地に終端させればよい。ＲＦ出力端子ＲＦｏｕｔが金属トレース２６に接続されている。
【００１１】
この実施形態では、金属トレース２６、２８は２つの目的を有する。即ち、金属トレース２６、２８は、ビーム２４と共に、ＡＣ電気接点およびＤＣ制御パッドとして作用する。即ち、図２および図３に示すように、金属トレース２６、２８は、１対の比較的値が大きい抵抗器３７、３９を介して、１対のＤＣ電圧源３４および３６に接続することができる。抵抗器３７、３９は、ＲＦ信号をＤＣから隔離する役割を果たし、１対のブロッキング・コンデンサ３８、４０および終端抵抗器４２を介して終端されている。図２に示すように、ＤＣ電圧を金属トレース２６に印加すると、ビーム２４が引き寄せられ、絶縁体の薄膜（図示せず）を介して、金属トレース２６との容量性接触が生ずる。絶縁層は、ＤＣバイアスが接地に短絡するのを防止するために用いられている。したがって、金属トレース２６に電圧を印加することにより、ＲＦスイッチが閉じて、ＲＦ入力端子ＲＦｉｎ間に接続されているＲＦ信号をＲＦ出力端子ＲＦｏｕｔに接続することが可能となる。同様に、図３に示すように、金属トレース２８にＤＣ電圧を印加することにより、ビーム２４が偏倚し、金属トレース２８と接触して、ＲＦ入力端子ＲＦｉｎおよびＲＦ出力端子ＲＦｏｕｔ間の接続を開放する。終端抵抗器４２を除去すれば、ブロッキング・コンデンサを他のＲＦ出力に接続するために使用することが可能となる。このようにして、スイッチは単極二投（ｓｐｄｔ）スイッチとなる。図１ないし図３に示すスイッチは、比誘電率（εｒ）が７で、５０ないし１００ナノメートルの窒化シリコンのような高い誘電性の層の比較的薄い層、またはビーム２４および金属トレース２６、２８上の窒化アルミニウム（εｒ＝９）材料のコーティングに基づいて、「オン」位置における低いリアクタンスを得ている。空気の低い誘電率（εｒ＝１）によって、スイッチは「オフ」位置において高いリアクタンスを有する。かかるスイッチでは、一方側に張り付いた場合（「張り付き」）、他方側に電圧を印加してこれを引き離すことにより、「張り付き」の問題を軽減することができる。
【００１２】
図１ないし図３に例示したスイッチを製造するためのプロセス図を図４Ａないし図４Ｈに示す。図１ないし図３に示したスイッチは単極単投型であるが、本発明の原理は、例えば図５および図６に示すように、種々のスイッチ構成にも適用可能であり、多数の極および多数のストロークは全て単一のメタライゼーション・レベルを用いていることは、当業者には明白なはずである。図４Ａに移り、（ＧａＡｓ）またはその他の半導体あるいは絶縁型基板というような、基板５０を用意する。基板５０の上面上に第１フォトレジスト５２をスピン塗布する。以下で明白となるであろうが、第１フォトレジスト５２の厚さは、エアーブリッジ２４直下にある空気ギャップのサイズを決定する。例えば、第１フォトレジスト５２の厚さは、０．３ないし２ミクロンとすることができる。基板５０の上面上にフォトレジスト５２の第１レベルをスピン加工した後、従来のフォトリソグラフィ技術によって第１フォトレジスト５２を露光し、現像して、図１に示したように、エアーブリッジ金属ビーム２４の支持部５４、ならびに電極２６および２８の部分を作成する。即ち、デバイスを例えば２００℃のような高温に晒すことにより、第１支持部５４の縁を、図４Ｂに示すように、丸くなる。第１支持部５４の形状を丸めることにより、ブリッジ２４ならびに電極２６および２８の部分が徐々に隆起することになり、図４Ｅに示すように、隆起した金属の機械的強度が増大する。また、この高温処理は、第２フォトレジスト５６の現像の間に第１支持部５４が現像されるのも防止する。続いて、図４Ｃに示すように、支持部５４の上面上に第２フォトレジスト５６をスピン塗布する。例えば、図示のように、支持部５４の上面上に、２．５ミクロンの第２フォトレジスト５６をスピン塗布する。従来のフォトリソグラフィ技術によって、適切なマスクを用いて第２フォトレジスト５６を露出および現像し、ＤＣパッドおよびエアーブリッジ金属ビーム２４のためのモールド５８、６０および６２を形成する。図４Ｃに示すように、モールド５８および６０はそれぞれ金属トレース２８および２６に用いられ、一方モールド６２はエアーブリッジ金属ビーム２４に用いられる。モールド５８、６０および６２を形成した後、図４Ｅに示すように、金属トレース２８、２６およびエアーブリッジ金属ビーム２４のために、フォトレジスト５６上およびモールド５８、６０、６２に、例えば、２ミクロンのアルミニウムのような金属の導電性金属層６４をそれぞれ堆積（デポジット）させる。続いて、ステップ４Ｆにおいて、アセトンに基板を浸漬するというような従来のプロセスによって過剰な金属およびフォトレジスト５６をリフトオフし（取り除き）、金属トレース２８、２６およびエアーブリッジ金属ビーム２４を形成する。次に、図４Ｇに示すように、支持部５４を除去し、エアーブリッジ金属ビーム２４直下に空気ギャップ６６を規定する。支持部５４は、酸素プラズマによって除去することができる。最後に、二酸化シリコンまたは窒化シリコンのような誘電体材料の層６８を、スイッチの表面上に堆積する。この層の典型的な厚さは約５０ないし１００ナノメートルである（図４Ｈ）。したがって、図１ないし図３に示すように、スイッチ２０は、単一のメタライゼーション・レベルを利用して形成され、単極単投スイッチまたは単極二投スイッチが得られる。ここで、エアーブリッジ金属ビーム２４の偏倚は、基板の面に対してほぼ平行な面において生ずる。
【００１３】
前述のスイッチの代替実施形態を図５および図６に示す。前述したように、これらの実施形態およびその他の構成は、本発明の原理を用いて製造するのに適しており、特に、単一メタライゼーション層を用いて製造するのに適している。図５Ａを参照すると、図１に示したスイッチの代替構成が示されており、全体的に参照番号７０で識別されている。この実施形態では、スイッチ７０は基板７２上に形成され、１対の離間した金属トレース７６、７８間に配置されたエアーブリッジ金属ビーム７４を含む。この実施形態では、金属トレース７６、７８は、図１ないし図３に示した実施形態のような二重機能を有さず、厳密にスイッチ接点のために用いられる。したがって、この実施形態では、エアーブリッジおよび接点間に誘電体物質の層を設けて、図１におけるようにＤＣ電圧の短絡を防止する必要はない。図５Ａに示すように、金属トレース７６、７８は、エアーブリッジ金属ビーム７４に対してほぼ垂直に配置することも可能である。ＲＦ入力端子ＲＦｉｎが、エアーブリッジ金属ビーム７４の一端に接続され、ＲＦチョークまたは終端抵抗器７５を介して終端されている。ＲＦ出力端子ＲＦｏｕｔが金属トレース７６の一端に接続されている。
【００１４】
この実施形態では、別個の制御パッド８０、８２、８４、８６が設けられている。図５Ａに示すように、エアーブリッジ・ビーム７４の一方側には制御パッド８０、８２が配置され、対向側には制御パッド８４、８６が配置されている。ＤＣ制御パッド８４、８６に電圧を印加することにより、図５Ｂに示すように、エアーブリッジ金属ビーム７４をそれらに向かって偏倚させ、金属トレース７６に接触させて、入力端子ＲＦｉｎおよび出力端子ＲＦｏｕｔ間を短絡する。同様に、ＤＣ電圧を制御接触パッド８０、８２に印加すると、エアーブリッジ・ビーム７４は図５Ｃに示すように８０、８２に向かって偏倚し、ＲＦ入力端子ＲＦｉｎおよびＲＦ出力端子ＲＦｏｕｔ間の接続を開放する。ＤＣ信号を通過させることができない容量型スイッチとして動作する図１のスイッチとは異なり、このスイッチはＡＣおよびＤＣ双方で動作することができる。この場合も、２対の制御パッド８０、８２および８４、８６を使用することができるので、「張り付き」問題は極力抑えられる。
【００１５】
この実施形態では、金属トレース７６、７８には、端部にポスト８８、９０が、エアーブリッジ・ビーム７４の高さとほぼ等しい高さに形成されている。エアーブリッジ・ビーム７４間の接続を可能にすることに加えて、ポスト８８、９０はエアーブリッジ・ビーム７４がＤＣ制御パッド８０、８２、８４、８６に接触するのを防止する停止部として作用する。更に、エアーブリッジ・ビーム７４がＤＣ制御パッドに接触するのを防止するために、図５Ｄに示すように、１つ以上の分離ストッパ８７を、ＤＣ制御パッドに沿って配置することも可能である。ストッパ８７の一部８９は、エアーブリッジ・ビーム７４と同じ高さに隆起している。
【００１６】
前述のスイッチの代替実施形態を図６に示す。この実施形態では、全体的に参照番号９０で識別するスイッチは、１極六投スイッチとして構成されており、複数のエアーブリッジ・ビーム９２、９４、９６を含む。エアーブリッジ金属ビーム９２、９４、９６は機械的に互いに分離されているが、電気的には互いに接触している。エアーブリッジ・ビーム９２、９４、９６は、各々、１対の金属トレース１０２および１０４、１０６よび１０８、１１０および１１２間に配置されている。制御パッド１１４、１１６、１１８、１２０、１２２、１２４、１２６、１２８、１３０、１３２、１３４、１３６は、それぞれ、エアーブリッジ・ビーム９２、９４、９６の対向側に配置されている。ＲＦ入力端子ＲＦｉｎがエアーブリッジ金属ビーム９２、９４、９６の一端に接続されている。複数のＲＦ出力端子ＲＦｏｕｔ１、ＲＦｏｕｔ２、ＲＦｏｕｔ３、ＲＦｏｕｔ４、ＲＦｏｕｔ５、ＲＦｏｕｔ６が、金属トレース１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２の各々に接続されている。
【００１７】
エアーブリッジ金属ビーム９２、９４、９６の各々は、前述したように、静電力によって同様に作用する。例えば、接点パッド１１８、１２０にＤＣ電圧を印加すると、エアーブリッジ・レベル９２が右に偏倚し、ＲＦ入力端子およびＲＦ出力端子ＲＦｏｕｔ２間に短絡が生ずる。同様に、制御パッド１１４、１１６にＤＣ電圧を印加すると、エアーブリッジ・ビームは左に偏倚し、ＲＦ入力端子およびＲＦ出力端子ＲＦｏｕｔ１間に短絡が生ずる。スイッチ出力のバランスは、同様に動作する。図６に示すスイッチは、したがって、セレクタ・スイッチとして用い、ＲＦ入力源ＲＦｉｎを６つのＲＦ出力ポートＲＦｏｕｔ１ないしＲＦｏｕｔ６のいずれかに接続するために用いることができる。
【００１８】
図７は、本発明と共に用いるエアーブリッジ・ビーム１４０の平面図である。図示のように、必要であれば、ブリッジ１４０の曲げ剛性をその長さに沿って変化させ、任意の曲げ形状を得ることができる。図７に示すように、エアーブリッジ・ビーム・ブリッジ１４０のある部分１４２、１４４は、比較的狭い領域として形成して、薄いコンプライアント領域を形成することができ、一方ブリッジ部分の他の部分は比較的広い剛直領域として形成することができる。こうすることの利点は、作動電圧が低くて済み、所与のブリッジ長に対して、ブリッジの導電性を維持できることである。
【００１９】
このように、本発明によるプロセスは、単一のメタライゼーション・レベルのみを用いて、多数の極および多数のストロークを有する種々のＲＦスイッチを形成するのに適していることは明らかであろう。スイッチをオンおよびオフに切り替えるために別個の制御源が必要となるという事実は、追加のメタライゼーション・レベルを必要としない。
【００２０】
明らかに、前述の教示を考慮すれば本発明の多くの変更および変形が可能である。したがって、請求の範囲内において、本発明は、先に具体的に説明したこと以外でも、実施可能であることは理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による単極二投容量型スイッチの斜視図である。
【図２】オン位置で示す、図１に図示したスイッチの平面図である。
【図３】オフ位置で示す、図１に図示したスイッチの平面図である。
【図４】本発明によるスイッチを製造する処理工程を示す図である。
【図５】図５Ａは、図１に示すスイッチの代替実施形態の平面図である。
図５Ｂは、オン位置にあるスイッチと共に示す、図５Ａに図示したスイッチの平面図である。
図５Ｃは、図５Ｂと同様であるが、オフ位置にあるスイッチと共に示す図である。
図５Ｄは、本発明の一態様による絶縁ストッパの使用を示す、図５Ａと同様の図である。
【図６】多投多極スイッチを示す、本発明によるスイッチの別の代替実施形態の平面図である。
【図７】本発明と共に使用する代替エアーブリッジの端面図である。
【符号の説明】
２０  スイッチ
２２  絶縁基板
２４  エアーブリッジ金属ビーム
２６、２８  金属トレース
３０  外部ブロッキング・コンデンサ
３１  チョーク
３２  終端抵抗
３４、３６  ＤＣ電圧源
【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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