(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上層と下層を有する基板と、
前記基板の上層と下層の間に形成された複数のガイドポストと、
前記基板の下層の表面上に形成され、これに関連した開路を画定する第１ギャップを有する第１信号伝送線と、
前記基板の上層の底面上に形成され、これに関連した開路を画定する第２ギャップを有する第２信号伝送線と、
複数のバイア開口が形成され、前記ガイドポストに沿って前記バイア開口を介して移動可能に配置されたスイッチ本体と、
前記基板の下層の表面上に形成され、静電的に吸引されて前記スイッチ本体の底面から離れて位置合せされた第１フィールド・プレートと、
前記基板の前記上層の底面上に形成され、静電的に吸引されて前記スイッチ本体の上面から離れて位置合せされた第２フィールド・プレートとを
備える、超小型電気機械スイッチ。
【請求項２】
前記第１フィールド・プレートと前記スイッチ本体の前記底面との間の静電引力が前記スイッチ本体に前記第１信号伝送線の前記第１ギャップを閉じさせる、請求項１に記載の超小型電気機械スイッチ。
【請求項３】
前記第２フィールド・プレートと前記スイッチ本体の前記上面との間の静電引力が前記スイッチ本体に前記第２信号伝送線の前記第２ギャップを閉じさせる、請求項１に記載の超小型電気機械スイッチ。
【請求項４】
前記スイッチ本体の両側に配置され、前記スイッチを中立位置にバイアスする１対のサポート・ヒンジをさらに備え、前記第１伝送線および前記第２伝送線中の前記ギャップが開いたままになっている、請求項１に記載の超小型電気機械スイッチ。
【請求項５】
前記第１フィールド・プレートおよび前記第２フィールド・プレートに印加され、前記第１フィールド・プレートと前記スイッチ本体の前記底面の間の静電引力を前記第２フィールド・プレートと前記スイッチ本体の前記上面の間の静電引力によって相殺させるつり合い電荷を与える手段をさらに含む、請求項１に記載の超小型電気機械スイッチ。
【請求項６】
前記スイッチ本体が電気めっき銅を含む、請求項１に記載の超小型電気機械スイッチ。
【請求項７】
前記スイッチ本体がコバルト−タングステン−ホスフィド（ＣｏＷＰ）絶縁キャップをさらに備える、請求項６に記載の超小型電気機械スイッチ。
【請求項８】
前記スイッチ本体が矩形である、請求項１に記載の超小型電気機械スイッチ。
【請求項９】
前記スイッチ本体が円形である、請求項１に記載の超小型電気機械スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超小型電気機械（ＭＥＭ）スイッチに関し、詳細には、多位置ＭＥＭスイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路技術における近年の進歩により、機械、静電、電磁気、流体および熱的方法を使用して作動および制御されるマイクロメートル寸法のデバイスを特徴とする超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）が開発されるに至った。ＭＥＭＳ製造技術は確立された半導体微小製造技術と微小機械加工における新しい開発との組合せである。
【０００３】
ＭＥＭデバイスの一例は一端がシリコンなどの基板材料に固定されたカンチレバー・ビーム・スイッチである。ビームの自由端は、電圧源が印加されたとき、ビームおよびフィールド・プレートに静電力がかかる結果として偏向し、それによって固体電極と接触する偏向電極として働く。電圧源が除去されると、ビームは内部の復元力によりその「剛性」状態に戻り、スイッチの接点が開く。
【０００４】
ＭＥＭ技術における進歩は近年かなりのものであるが、この技術は欠点がないわけではない。たとえば、ＭＥＭＳデバイスの製造業者が直面する最も顕著な問題の１つは静止摩擦（ｓｔｉｃｔｉｏｎ）であり、これは微小機械加工部品（カンチレバー・ビームなど）の表面が構造の隣接表面に融着または接着されたときに生じる。静止摩擦はしばしば、表面粗さ、湿気、印加電圧および製造プロセス中の毛管力などの状態から生じる。デバイス中で静止摩擦問題が生じる回数が多いほど、デバイスの分留まりに対する全体的な影響は大きくなる。さらに、コンポーネント自体の物理的形状も静止摩擦の生じやすさに影響し、カンチレバー式のスイッチはビームに対する繰り返し機械応力により反ることがある。このため、静止摩擦の生じやすさを最小限に抑えるスイッチ設計を提供することが望ましい。
【０００５】
ビーム・スイッチに伴う他の難点には、材料疲労、空間の制約（固定点に対する要件から）、寄生インダクタンスの発生および共振周波数の問題がある。したがって、上述の問題に対処できるＭＥＭスイッチを提供することも望ましい。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ビーム・スイッチによらない新規なＭＥＭスイッチを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の例示的実施形態では、超小型電気機械スイッチは基板上に形成されたガイドポストを有する。信号伝送線が基板上に形成され、この信号伝送線はギャップを有し、開路を形成する。スイッチはさらに、内部に形成されたバイア開口を有するスイッチ本体を含み、このスイッチ本体はガイドポストによって画定された長さに沿って移動可能に配置される。ガイドポストはバイア開口によって部分的に包囲される。好ましい実施形態では、フィールド・プレートが基板上に形成され、静電気的に吸引可能なようにスイッチ本体から離れて位置合せされる。フィールド・プレートとスイッチ本体の間の静電引力がスイッチ本体に信号伝送線中のギャップを閉じさせる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は公知の超小型電気機械スイッチ（ＭＥＭＳ）を示す。図示のように、参照番号２０によって全体的に識別されるＭＥＭＳが基板２２上に形成され、その一端に固定ポスト２４が形成されている。可撓性のカンチレバー・ビーム２６がポスト２４の一端で連結されている。カンチレバー・ビーム２６は、位置合せされ基板２２上の対応する接点３０と対合するようになされた一端において電気接点２８を担持するようになされている。スイッチ２０は静電的に作動するようになされている。アース・プレート３２が基板２２上に形成され、一方フィールド・プレート３４はカンチレバー・ビーム２６上に形成されている。アース・プレート３２はアースに接続されるようになされ、一方フィールド・プレート３４はＤＣ電圧源（図示せず）に選択的に結合されるようになされている。フィールド・プレート３４に電圧が印加されない場合、接点２８は接点３０から離され、開路状態を定義する。適当なＤＣ電圧がフィールド・プレート３４に印加されると、カンチレバー・ビーム２６はプレート３４とアース・プレート３２の間の静電力によって偏向して、電気接点２８を接点３０と対合させ、閉回路状態を定義する。印加された電圧がその後フィールド・プレート３４から除去されると、カンチレバー・ビーム２６はビーム内の復元力により静止位置に戻る。
【０００９】
次に図２ないし図４を参照すると、本発明の一実施形態のスイッチ５０は二酸化シリコン（ＳｉＯ２）などの基板５２上に製作され、その上に複数のガイドポスト５４が形成され配置される。ガイドポスト５４はスイッチ５０の可動本体５８内に形成されたバイア開口５６によって包囲されている。本体５８は、銅などの導電材のほぼ矩形のブロック６０から構成される。酸化防止のため、ブロック６０は、以下に詳述するように、絶縁層内にカプセル封じされキャップされる。図３および図４を見ると最もよくわかるように、本体５８はガイドポスト５４の長さに沿って移動可能に配置され、ガイドポストは、ガイドポスト５４に沿って垂直に移動するときスイッチ５０の本体５８を横方向に正しく位置合せされた状態に保つ働きをする。このように構成されているため、スイッチ５０は、その周りで駆動または屈曲するアンカまたは固定点を必要としない。
【００１０】
本体５８は、図３および図４を見るとわかるように基板５２の上層６２と基板５２の下層６４の間にほぼ水平に位置合せして配置される。基板５２の下層６４内に第１フィールド・プレート６６が形成され、それに制御電圧が印加される。第２フィールド・プレート６８は同様に基板５２の上層６２内に配置され、制御電圧源（図示せず）にも接続される。第１フィールド・プレート６６はスイッチ本体５８の底部表面７０から静電気的に離隔し、それに吸引され、これに対し第２フィールド・プレート６８はスイッチ本体５８の上部表面７２から静電気的に離隔し、それに吸引される。
【００１１】
第１信号伝送線７４は基板５２の下層６４を通りギャップ７８によって分離された接点７６を通って確立され、第１信号伝送線７４中で開路を定義する。第２信号伝送線８０は基板５２の上層６２を通りギャップ８４によって分離された接点８２を通って同様に確立され、第２信号伝送線８０中で開路を定義する。
【００１２】
図示の実施形態におけるスイッチ５０の構成は二極二投スイッチを表すが、本発明の原理は他のスイッチ構成にも適用できる。この実施形態では、スイッチ５０は二位置スイッチまたは三位置スイッチとして実施できる。第３スイッチ位置を維持するため、スイッチの本体５８は信号伝送線７４、８０から電気的に遮断された、基板上層６２と基板下層６４の間の位置に維持される。図３に示す実施形態は、たとえば、１対のヒンジ９０を特徴としており、これはスイッチ５０を中立または「オフ」位置にバイアスするために使用される。ヒンジ９０は導電材と一体にすることもできる。
【００１３】
あるいは、ヒンジ９０がない場合、図４に示す「フリー・フローティング」スイッチ設計を利用することもできる。しかし、スイッチ５０を中立の第３位置に維持するために、第１フィールド・プレート６６と第２フィールド・プレート６８は適正なつり合い電荷でバイアスされ、その結果生じスイッチ本体５８にかかる反対向きの静電力が互いに相殺され、それによってスイッチ本体５８がフリー・フローティング位置にサスペンドされた状態に維持される。バイアス静電力がない場合、スイッチ５０は二位置構成、またはバイナリ動作モードで使用することができる。このような構成の例として、第１伝送線ギャップ７８はデフォールトすなわち「オフ」位置で閉じ、第２伝送線ギャップ８４は開く。付勢された位置、すなわち「オン」位置のとき、第１伝送線ギャップ７８は開き、第２伝送線ギャップ８４は閉じる。
【００１４】
スイッチ５０は所望のフィールド・プレートの１枚に選択的に印加された制御電圧によって作動される。その結果生じる選択されたフィールド・プレートとスイッチ本体５８の間の静電力はどのフィールド・プレートが付勢されたかに応じて、本体を持ち上げ、または下げる。たとえば、第１フィールド・プレート６６が付勢される場合、スイッチ５０が最初中立位置にあるとさらに仮定すると、スイッチ本体５８の両側の導電表面９１が基板下層６４上の対応する接点７６と対合し、それによって第１伝送線ギャップ７８を閉じ、閉回路を定義するまで、スイッチ本体５８は下方に移動する。第１フィールド・プレート６６が次に付勢されたとき、バイアス・ヒンジ９０により、または第１フィールド・プレート６６および第２フィールド・プレート６８の両方につり合い電荷を印加することによりスイッチ本体５８は中立位置へ戻る。いずれの場合でも、接点７６がスイッチ本体５８上の導電表面と分離すると、第１信号伝送ギャップは再度開く。
【００１５】
第２信号伝送線８０のギャップは第２フィールド・プレート６８を付勢することによって同じように閉じる。今回は、導電表面９１が基板上層６２上の接点８２と対合するまで、発生する静電力がスイッチ本体５８を上方に移動させる。第２フィールド・プレート６８が消勢され、スイッチ本体５８が中立位置へ戻るまで、第２信号伝送線８０は閉回路状態である。一方のフィールド・プレートに印加された電荷の極性を逆にし、それによってスイッチ本体５８にかかる反発力を生み出すことができることにも留意されたい。一方のフィールド・プレートによって与えられる反発力を他方のフィールド・プレートによって与えられる引力と一緒に使用し、それによってプッシュ・プル作動機構を作り出すこともできる。
【００１６】
この場合も、三位置実施形態の代替物として、スイッチ５０を二位置モードで構成して、一方のフィールド・プレートが付勢されたとき、他方のフィールド・プレートが消勢され、逆も同様となるようにすることができる。このようにして、第１信号伝送線ギャップと第２信号伝送線ギャップのいずれか一方が所与のどの時間にも継続的に開くが、両方のギャップが同時に開くことはない。言い換えれば、スイッチ本体５８が中立位置に静的に維持されることはない。
【００１７】
図５はカンチレバー・ビームで使用するように適合可能な、スイッチ構成のさらに別の実施形態を示す。この実施形態では、主スイッチ本体５８がレバー・アーム９２の一端上に一体形成され、それが基板内に形成された固定ポスト９４に取り付けられる。ヒンジ９０もこの構成に使用されるので、レバー・アーム９２はスイッチ本体の重量を完全には支持しない。
【００１８】
図６は主スイッチ本体５８の別の実施形態を示す。図示のように、スイッチ本体５８はほぼ円形１００に製作される。このように構成されているため、スイッチ本体５８は、スイッチ本体５８上の４つの接表面１０２で基板壁と摩擦係合だけを行いながら、基板５２内に形成されたキャビティ９６内を垂直に上下に移動する。ガイドポスト（図示せず）がスイッチ本体５８をキャビティ９６内で相対的に水平の向きに維持するが、バイア開口（図示せず）は動作中にスイッチ本体５８のわずかな横シフトを可能にする。したがって、円形設計の場合、スイッチ本体５８の外縁とキャビティ９６を画定する基板壁の間の表面接触の量は最低になる。
【００１９】
次に図７を参照すると、スイッチ製作の細部が示されている。ガイドポスト５４は周知のマスキング、付着およびエッチング技法により二酸化シリコン（ＳｉＯ２）基板５２から形成される。ダイアモンド様炭素（ＤＬＣ）や他のコンフォーマル有機ポリマーなどの犠牲層２００が、ガイドポスト５４の側面および上面を含めて、基板５２上に付着される。その後、後でライナ２０２上に次に付着される電気めっき銅２０４の拡散を防ぐため、犠牲層２００上にライナ２０２を付着する。ライナ２０２は好ましくは、チタン、窒化チタン、窒化タンタル、タングステンなどの高融点金属からなる。銅２０４の耐食性が不十分なため、コバルト−タングステン−ホスフィド（ＣｏＷＰ）のキャップ２０６を、図８に示すように、銅層の上面の上に無電解形成する。しかし、チッ化タンタルまたはニッケルを含めて、他の材料もキャップ２０６に使用できることに留意されたい。化学機械研磨に続いて、キャップ２０６の上面をガイドポスト５４の上面と平坦化する。次いでＤＬＣの第２犠牲層２０８をキャップ２０６およびガイドポスト５４上に付着する。次に、絶縁材料、好ましくはチッ化シリコンのトップ・キャップ２１０をＤＬＣの第２層２０８の上に付着する。
【００２０】
最後に、図９はＤＬＣの犠牲層２００および２０８を除去した後のスイッチを示す。トップ・キャップ２１０内にいくつかの穿孔を形成し、次いでスイッチ５０を酸素化環境中で加熱し、それによって犠牲層２００および２０８が除去され、排ガスとして炭酸ガスと一酸化炭素が生じる。したがってＤＬＣの除去によってスイッチ本体５８内にバイア開口５６が生み出され、それを介してガイドポスト５４はスイッチ本体５８の垂直移動を案内する。
【００２１】
本発明をその好ましい実施形態に関して説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更を加え、本発明の要素を均等物で置き換えできることが当分野の技術者には理解されよう。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために多くの変更を加えることができる。したがって、本発明は本発明を実施するために企図された最良の形態として開示された特定の実施形態のみに限定されるものではなく、首記特許請求の範囲に属するすべての実施形態を包含するものである。
【００２２】
まとめとして、本発明の構成に関して以下の事項を開示する。
【００２３】
（１）基板上に形成されたガイドポストと、
前記基板上に形成され、ギャップを有し開路を形成する信号伝送線と、
バイア開口が形成され、前記ガイドポストによって画定された長さに沿って移動可能に配置され、前記ガイドポストがさらに前記バイア開口によって部分的に包囲されているスイッチ本体と、
前記基板上に形成され、静電的に吸引可能なように前記スイッチ本体から離れて位置合せされたフィールド・プレートとを
備える、超小型電気機械スイッチ。
（２）前記フィールド・プレートと前記スイッチ本体との間の静電引力が前記スイッチ本体に前記信号伝送線中の前記ギャップを閉じさせる、上記（１）に記載の超小型電気機械スイッチ。
（３）前記基板がＳｉＯ２基板を含む、上記（１）に記載の超小型電気機械スイッチ。
（４）前記基板上に形成された複数のガイドポストをさらに含み、前記スイッチ本体の内部に複数の対応するバイア開口が形成されており、前記スイッチ本体が前記ガイドポストに沿って移動可能に配置されている、上記（１）に記載の超小型電気機械スイッチ。
（５）前記スイッチ本体が電気めっき銅を含む、上記（１）に記載の超小型電気機械スイッチ。
（６）前記スイッチ本体がコバルト−タングステン−ホスフィド（ＣｏＷＰ）絶縁キャップをさらに備える、上記（５）に記載の超小型電気機械スイッチ。
（７）基板上に形成された複数のガイドポストと、
前記基板の下層上に形成され、これに関連した開路を画定する第１ギャップを有する第１信号伝送線と、
前記基板の上層上に形成され、これに関連した開路を画定する第２ギャップを有する第２信号伝送線と、
複数のバイア開口が形成され、前記ガイドポストに沿って前記バイア開口を介して移動可能に配置されたスイッチ本体とを
備える、多位置超小型電気機械スイッチ。
（８）前記基板の下層上に形成され、静電的に吸引されて前記スイッチ本体の底面から離れて位置合せされた第１フィールド・プレートと、
前記基板の前記上層上に形成され、静電的に吸引されて前記スイッチ本体上に位置する上面から離れて位置合せされた第２フィールド・プレートとを
さらに備える、上記（７）に記載の超小型電気機械スイッチ。
（９）前記第１フィールド・プレートと前記スイッチ本体の前記底面との間の静電引力が前記スイッチ本体に前記第１信号伝送線の前記第１ギャップを閉じさせる、上記（８）に記載の超小型電気機械スイッチ。
（１０）前記第２フィールド・プレートと前記スイッチ本体の前記上面との間の静電引力が前記スイッチ本体に前記第２信号伝送線の前記第２ギャップを閉じさせる、上記（８）に記載の超小型電気機械スイッチ。
（１１）前記スイッチ本体の両側に配置され、前記スイッチを中立位置にバイアスする１対のサポート・ヒンジをさらに備え、前記第１伝送線および前記第２伝送線中の前記ギャップが開いたままになっている、上記（７）に記載の超小型電気機械スイッチ。
（１２）前記第１フィールド・プレートおよび前記第２フィールド・プレートに印加され、前記第１フィールド・プレートと前記スイッチ本体の前記底面の間の静電引力を前記第２フィールド・プレートと前記スイッチ本体の前記上面の間の静電引力によって相殺させるつり合い電荷を与える手段をさらに含む、上記（８）に記載の超小型電気機械スイッチ。
（１３）前記スイッチ本体が電気めっき銅を含む、上記（７）に記載の超小型電気機械スイッチ。
（１４）前記スイッチ本体がコバルト−タングステン−ホスフィド（ＣｏＷＰ）絶縁キャップをさらに備える、上記（１３）に記載の超小型電気機械スイッチ。
（１５）前記スイッチ本体がほぼ矩形である、上記（７）に記載の超小型電気機械スイッチ。
（１６）前記スイッチ本体がほぼ円形である、上記（７）に記載の超小型電気機械スイッチ。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術のカンチレバー・ビーム式超小型スイッチの側面図である。
【図２】上下の基板レベルが主スイッチ本体を図示するため横に展開されている、本発明の超小型電気機械スイッチの一実施形態の上面図である。
【図３】断線３−３に沿って切断した図２のスイッチの断面図である。
【図４】図３に示したスイッチの代替実施形態を示す図である。
【図５】本発明の超小型電気機械スイッチの他の実施形態の上面図である。
【図６】スイッチ本体の他の実施形態の上断面図である。
【図７】図３および図４に示したスイッチの一部分を製造する際の諸ステップの断面図である。
【図８】図３および図４に示したスイッチの一部分を製造する際の諸ステップの断面図である。
【図９】図３および図４に示したスイッチの一部分を製造する際の諸ステップの断面図である。
【符号の説明】
２０  超小型電気機械スイッチ
２２  基板
２４  固定ポスト
２６  カンチレバー・ビーム
２８  電気接点
３０  対応接点
３２  アース・プレート
３４  フィールド・プレート
５０  スイッチ
５２  基板
５４  ガイドポスト
５６  バイア開口
５８  本体
６０  ブロック
６２  上層
６４  下層
６６  第１フィールド・プレート
６８  第２フィールド・プレート
７０  底部表面
７２  上部表面
７４  第１信号伝送線
７６  接点
７８  ギャップ
８０  第２信号伝送線
８２  接点
８４  ギャップ
９０  ヒンジ
９１  導電表面
９２  レバー・アーム
９４  固定ポスト
９６  キャビティ
１００  円形形状
２００  犠牲層
２０２  ライナ
２０４  電気めっき銅
２０６  キャップ
２０８  第２犠牲層
２１０  トップ・キャップ
【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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【図８】
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【図９】
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