(57)【要約】【課題】印加直流電圧で通電された電極によって可動ビームまたはメンブレンが回路を開閉するＭＥＭＳスイッチを提供すること【解決手段】たわみ可能なメンブレン（６０）を備えた微小電気機械（ＭＥＭ）ＲＦスイッチは、スイッチ接点すなわちプランジャ（４０）を作動する。メンブレンは交互配置された金属電極（７０）を合体し、この交互配置金属電極は、直流電界で作動されたときメンブレンに応力勾配を生じさせ、予測可能な曲りすなわち変位をもたらし、スイッチ接点（４０）を機械的に変位させる。空洞（２５）内にあるＲＦギャップ部分は交互配置金属電極（７０）間のギャップ（７１）から全体的に分離されている。メンブレンは、２つの反対方向に静電的に変位し、これによってスイッチを作動／解除するのを助ける。
2005536847.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチであって、
空洞（２５）と、
前記空洞（２５）を囲む第１の表面の一部を成す少なくとも１つの導電性経路（２０）と、
前記空洞（２５）を囲む前記第１の表面に平行な可撓性メンブレン（６０）であって、複数の作動電極（７０）が取り付けられている可撓性メンブレン（６０）と、
前記作動電極（７０）から離れる方向に向かって前記可撓性メンブレン（６０）に取り付けられたプランジャ（４０）であって、前記少なくとも１つの導電性経路（２０）と電気的に接触する少なくとも１つの導電性表面を有するプランジャ（４０）と
を備えるＭＥＭＳスイッチ。
【請求項２】
前記作動電極（７０）の各々は、前記近接する作動電極（７０）の直流電圧に対して逆極性の直流電圧の電圧を加えられる、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項３】
前記作動電極（７０）に電圧が加えられたとき、前記作動電極（７０）間の静電引力が、前記可撓性メンブレン（６０）の曲がり湾曲を生じさせる、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項４】
前記可撓性メンブレン（６０）が、ＳｉＯ、ＳｉＮ、重合体およびアモルファス水素化炭素を含む炭素含有材料、およびこれらの混合物から成るグループから選ばれた誘電体材料で作られる、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項５】
前記可撓性メンブレン（６０）が、さらに複数の導電性ビアを含む、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項６】
前記可撓性メンブレンの前記曲がり湾曲が、前記空洞（２５）を囲む前記第１の表面の一部を成す前記少なくとも１つの導電性表面（２０）に対して、前記プランジャ（４０）の前記少なくとも１つの導電性表面を押し当てるように仕向けて、前記ＭＥＭＳスイッチを閉じる、請求項３に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項７】
前記加えられた電圧を除去すると、前記可撓性メンブレン（６０）がその元の形に戻り、前記空洞を囲む前記第１の表面の一部をなす前記少なくとも１つの導電性表面から、前記プランジャ（４０）の前記少なくとも１つの導電性表面（３０）を引き離して、前記ＭＥＭＳスイッチを開く、請求項６に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項８】
前記可撓性メンブレン（６０）の曲がり湾曲が、凹状変位である、請求項３に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項９】
さらに、前記可撓性メンブレン（６０）の底面に配置された第２の複数の電極（７４）を備え、前記第２の複数の電極（７０）に加えられた逆の正および負の電圧が、前記プランジャ（４０）を前記少なくとも１つの導電性経路（２０）から離すように仕向けて、静止摩擦に打ち勝つ、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１０】
前記可撓性メンブレン（６０）の一部を成し、かつ前記作動電極（７０）間に置かれた圧電材料が、直流電圧を加えられたとき、前記可撓性メンブレン（６０）を伸縮させる、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１１】
前記圧電材料およびそれの結晶方位に依存して、前記作動電極（７０）間に電圧差を加えることが、前記可撓性メンブレン（６０）を強制的に凹状または凸状湾曲にする、請求項１０に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１２】
前記圧電材料が、ＢａＴｉＯ３、およびＬａ、ＦｅまたはＳｒのドーパントを有するＰｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３、ならびにポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）から成るグループから選ばれる、請求項１０に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１３】
前記空洞（２５）内にあるＲＦギャップ部分が、前記作動電極間のギャップから物理的に分離されている、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１４】
前記可撓性メンブレン（６０）が、２つの反対方向に静電的に変位され、それによって、ＭＥＭＳスイッチ（１５）を作動または解除するのを手助けする、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１５】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチであって、
（ａ）、上に空洞（２５０）が形成されている導電性金属埋め込み表面（２０）を備える基板（１８）と、
（ｂ）次に第１の導電性層（１３０）が続きさらに第２の導電性層または誘電体層（１４０）が続いている、前記空洞（２５０）の第１の犠牲層（１２５）であって、前記２つの導電性層（１３０、１４０）が逆「Ｔ」の形（１３１、１４１）にパターン形成されている第１の犠牲層（１２５）と、
（ｃ）第３の導電性層（６０）が次に続いている平坦化された第２の犠牲層（７２）と、
（ｄ）前記第３の導電性層（６０）の上の誘電体層、および下の導体を露出させるようにパターン形成されたビア孔（１６０）と、
（ｅ）前記パターン形成されたビア孔（１６０）を充填し、前記充填されたビア孔（１６０）の上に有限厚さを備える導電性表面であって、作動フィンガ（７０）の形にパターン形成された導電性表面とを備え、前記ａ）からｅ）までの組合せが可撓性メンブレンを形成し、さらに、
（ｆ）前記可撓性メンブレンを貫通し、かつ前記メンブレンの外側にアクセス・スロット（８０）を同時に提供するビア孔を備え、空気が前記第１および第２の犠牲層（１２５、７２）に取って代わるＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１６】
前記導電性層が、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｈｆ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒおよびこれらの合金から成るグループから選ばれた導電性金属元素で作られた金属トレースを含む、請求項１５に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１７】
前記金属トレースが、前記金属トレースが導電性である限りでＮ、Ｏ、Ｃ、Ｓｉ、およびＨから成るグループから選ばれた元素を含む、請求項１６に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１８】
前記可撓性メンブレンおよび前記誘電体層が、ＡｌＮ、ＡｌＯ、ＨｆＯ、ＳｉＮ、ＳｉＯ、ＳｉＣＨ、ＳｉＣＯＨ、ＴａＯ、ＴｉＯ、ＶＯ、ＷＯ、ＺｒＯ、およびこれらの混合物から成るグループから選ばれた材料で作られる、請求項１５に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項１９】
前記犠牲層が、硼燐珪酸ガラス（ＢＰＳＧ）、Ｓｉ、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＧｅ、ａ−Ｃ：Ｈ、ポリイミド、ポリアラレンエーテル、ノルボルネン、およびこれらの官能化誘導体、ならびにベンゾシクロブタンおよびフォトレジストから成るグループから選ばれた材料で作られる犠牲層である、請求項１５に記載のＭＥＭＳスイッチ。
【請求項２０】
並列に配置された複数の単極単投接点ＭＥＭＳスイッチを備える単極多投接点ＭＥＭＳであって、前記複数の単極単投接点ＭＥＭＳスイッチが独立した直流電圧制御信号によってそれぞれ作動される単極多投接点ＭＥＭＳ。
【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）スイッチに関し、より詳細には、分離および低挿入損のような優れたスイッチ特性を維持しながら、低電圧（１０Ｖ以下）で制御された作動を可能にするＭＥＭＳスイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信デバイスはますます一般的になっており、そのようなものとして、最大性能および最小コストを実現する技術を用いた無線通信デバイスに、大きなビジネス機会を与えている。成功した無線通信デバイスは、合理的なコストで、誤りのない低雑音の送信および受信を実現し、また、携帯型デバイスの場合には、電池寿命を最大限にするように低電力消費で動作する。現在の業界の焦点は、無線通信に必要なすべての部品を１つの集積回路（ＩＣ）チップにモノリシックに集積化して、性能を高めながらコストおよびサイズをさらに減少することである。
【０００３】
ＩＣ上にモノリシックに集積化されない無線通信デバイスの１つの部品は、スイッチである。スイッチは、送信モードと受信モードを交互にするために使用され、また、チャネル識別用のフィルタ回路を切り換えるためにも使用される。固体スイッチが存在しており、ことによると他のＩＣ部品と一緒にモノリシックに集積化されるかもしれないが、このスイッチがほどほどの性能で比較的高いコストであることで、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチに対する強い関心が起こっている。ＭＥＭＳスイッチは、有利なことには、非常に低い電力消費で動作するように設計され、優れた性能ではないとしても同等な性能を提供し、さらに、モノリシックに集積化することができる。
【０００４】
ＭＥＭＳスイッチは、数年にわたって評価されてきたが、技術的な問題で、無線デバイスへの直接的な組み込みが遅れている。１つの技術的な問題は、オン状態とオフ状態の切換えの確実な動作である。この問題は低スイッチ作動電圧を使用することでいっそう悪くなるが、それは、使用可能な電圧信号が一般に１０Ｖよりも小さな先進のＩＣチップでこのデバイスが集積化されたときにそうである。従来技術のＭＥＭＳスイッチ設計は、スイッチ挿入損および分離の仕様を満足しながら、低作動電圧低電力消費で確実な切換えを実現することができなかった。
【０００５】
従来技術ＭＥＭＳスイッチの一般的な設計を、図１および２に示す。ＭＥＭＳスイッチ５は、一対の平行電極１１および１４を使用し、この平行電極は、薄い誘電体層１２および誘電体隔離（standoff）１６で囲まれたエア・ギャップまたは空洞１３で隔てられている。電極１４は、機械的に変位することができるメンブレンまたは可動ビームに取り付けられている。他方の電極１１は、基板１０に結合され、自由に動けない。ＭＥＭＳスイッチ５は、名目上２つの状態、すなわち開いた状態（図１に示すように）または閉じた状態（図２に示すように）を有する。開いた状態では、電極１１と１４の間にエア・ギャップが存在し、そしてこの電極間のキャパシタンスが小さい。この状態で、電極１４に加えられたＲＦ信号は、電極１１に効果的に結合されないかもしれない。ＭＥＭＳスイッチ５は、２つの電極１１と１４の間に直流静電位を加えることによって閉じる。この直流静電位は、ギャップ間隔を減少させるように、または図２に示すように対抗電極１１を覆う誘電体層１２と密接に（intimate）接触するように可動電極１４を変位させる。誘電体層１２は、電極１１と１４の間での直流静電位の短絡を防止し、また閉じた状態でのスイッチのキャパシタンスを決定する。電極１４が誘電体層１２に接触したとき、キャパシタンスは増加し、電極１４のＲＦ信号は効果的に電極１１に結合する。スイッチを解除するために、静電位を取り除いて、メンブレン（または、ビーム）が元の位置に機械的に戻りかつ平行電極間にギャップ１３を回復することができるようにする。しかし、ＭＥＭＳスイッチ・デバイスは当然のことながら小さく、誘電体充電および静止摩擦のような効果がＭＥＭＳスイッチの確実な作動（activation）および解除（deactivation）を妨げることがよくある。上で言及したように、ＭＥＭＳスイッチが携帯型通信デバイスで使用される用途では、許される電源電圧は、大部分の従来技術のＭＥＭＳスイッチを確実に駆動することができない。確実なスイッチ解除を保証する設計では、許容できないほど高い電圧が必要になる。さらに、この電圧は、誘電体保護膜層１２の劣化のために、スイッチの有効期間の間に増加しなければならない。確実なスイッチ作動のために、メンブレンまたは可動ビームは、低剛性であるように製作され、このことによって、必要な作動電圧および後の誘電体保護膜１２への損傷が減少する。しかし、静止摩擦のために、また、低剛性によって、作動電圧が取り除かれたときビームまたはメンブレンが解除されないで、スイッチが閉じた位置のままになっている確率も増加する。さらに、携帯型通信デバイスで使用されるＭＥＭＳスイッチは、また、低オン挿入損および高オフ状態分離を必要とし、このことによって、静止電極１１と可動電極１４の間のギャップ要求条件がある程度決定される。
【０００６】
今日まで、携帯型通信デバイス用途のための信頼性、低駆動電圧、低電力消費、および信号減衰の要求条件を満たす製造されたＭＥＭＳスイッチ・デバイスは知られていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本出願の目的は、印加直流電圧で通電された電極によって可動ビームまたはメンブレンが回路を開閉するようになるＭＥＭＳスイッチを提供することである。
【０００８】
他の目的は、アクチュエータ・ギャップ部分をＲＦ信号ギャップ部分から切り離す（decouple）ＭＥＭＳスイッチを提供することである。
【０００９】
さらに他の目的は、「オフ」位置での大きなギャップ（高分離のため）および「オン」位置での小さな（または、存在しない）ギャップ（低挿入損のため）の組み合わされた利点を有するＭＥＭＳスイッチを提供することである。
【００１０】
本発明のさらなる目的は、低損失オン状態および高分離オフ状態を確実に実現するＭＥＭＳスイッチを製作することである。
【００１１】
またさらに他の目的は、静止摩擦による問題を克服するために、ビームまたはメンブレンの上および下に電極を有するＭＥＭＳスイッチを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本明細書で開示する発明の設計は、スイッチ接点を作動するためにたわみ可能な（deflectable）メンブレンを使用するＭＥＭＳ  ＲＦスイッチである。メンブレンは交互配置された金属電極を合体し、この交互配置金属電極は、直流電界で作動させられたときメンブレンに応力勾配を生じさせる。応力勾配は、メンブレンの予測可能な曲りすなわち変位をもたらし、スイッチ接点を機械的に変位させるために使用される。従来技術スイッチに優るこの設計の特有の利点の１つは、アクチュエータ・ギャップとＲＦギャップを切り離すことであり、図１、２に示す例ではそうではなく、図１、２の例ではアクチュエータ・ギャップとＲＦギャップは同じである。この発明の設計では、ＲＦギャップ部分はアクチュエータ電極ギャップ部分から全体的に分離されている。この特有の属性に加えて、ビームは、２つの方向に静電的に変位させることができ、これによって、スイッチの作動および解除を助ける。
【００１３】
本発明の一態様では、空洞と、この空洞を囲む第１の表面の一部を成す少なくとも１つの導電性経路と、空洞を囲む第１の表面に平行な可撓性メンブレンであって、複数の作動電極を有する可撓性メンブレンと、作動電極から離れる方向に向かって可撓性メンブレンに取り付けられたプランジャであって、少なくとも１つの導電性経路と電気的に接触する少なくとも１つの導電性表面を有するプランジャと、を含む微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチが提供される。
【００１４】
本発明の他の態様では、ａ）上に空洞が形成された導電性金属埋め込み（inlaid）表面を備える基板と、ｂ）次に第１の導電性層が続きさらに第２の導電性層または誘電体層が続いている、空洞上の第１の犠牲層であって、この２つの導電性層が逆「Ｔ」の形にパターン形成されている第１の犠牲層と、ｃ）空洞中に置かれ空洞の上面に対して平坦化された第２の犠牲層と、ｄ）平坦化された表面の上のパターン形成された金属層、誘電体層および前記パターン形成金属（平坦化された表面の上の）を露出させるためのビア孔と、ｅ）このビア孔を充填し、充填されたビア孔の上に有限厚さを備える導電性表面であって、作動フィンガ（actuatingfingers）の形にパターン形成された導電性表面とを含み、ａ）からｅ）までの組合せが可撓性メンブレンを形成し、さらに、ｆ）可撓性メンブレンを突き抜けてエッチングされ、かつメンブレンの外側にエッチングされたアクセス・スロットを同時に提供するビア孔を含み、空気が第１および第２の犠牲層に取って代わる微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチが提供される。
【００１５】
本発明のＭＥＭＳスイッチは、有利なことには、単極単投接点（ＳＰＳＴ）スイッチとして、またはＮ投数のためにＮ個のスイッチの信号入力を並列接続した単極多投接点（ＳＰＭＴ）スイッチとして構成することができる。
【００１６】
実施例だけでなく本発明のこれらおよび他の目的、態様および有利点は、添付の図面に関連して解釈されるとき以下の説明から、より適切に理解され、またより明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明スイッチの特有の設計を十分に例示するために、ＭＥＭＳスイッチの詳細な説明は、ここで、図３〜４に関連して以下で説明する。
【００１８】
デバイス１５は基板１８上に製作され、この基板１８上に、埋め込まれた金属トレース（trace）２０を有する誘電体２２が堆積されている。これによって、誘電体領域３５で隔離された平面導電性電極を有する表面が形成されている。誘電体アクチュエータ・メンブレン６０が下方にたわみ、接触電極３０が金属トレース２０に接触するかまたは金属トレース２０のすぐ近くにくるようにするとき、誘電体間隔３５は金属接触電極３０によって橋絡される。形成された接触によって、ＲＦ信号は金属接触電極３０を通って２つの金属電極間を伝播することができるようになる。金属接触電極３０は、誘電体棒（すなわち、プランジャ）４０に物理的に取り付けられ、そして次に、この誘電体棒４０はメンブレン６０に物理的に取り付けられている。また、図４に、誘電体層６０に形成されたアクセス孔およびスロット８０を示し、このアクセス孔およびスロット８０は、デバイス製作中に、可動メンブレン６０の下の犠牲層およびギャップ部分（空洞）２５を除去する手段を与える。
【００１９】
この新しいＭＥＭＳスイッチ設計の動作を図５〜６に示す。この図５〜６は、デバイスの２つのスイッチ状態を示す。図６に示すように、「プラス」と「マイナス」の記号で示されるように交互に配置された作動電極に逆極性の直流電圧を加えることで、このスイッチは作動状態とされ、すなわち閉じる。作動電極間の静電界によって、電極は隣接するすべての周囲の電極の方に物理的に引かれるようになる。この引力はメンブレン６０に応力勾配を生成し、メンブレン６０を下方にたわませ、それによって、接触電極３０の底面が信号電極２０の上面に物理的に接触するまで、棒４０および接触電極３０を押して動かす。この設計の特有の利点は、作動電極７０間のギャップ７１と、接触電極３０と信号スイッチ接点２０の間のギャップ２５を切り離した（decoupling）ことであり、低作動電圧で比較的大きなギャップにわたって接触電極を確実に変位させるスイッチを実現する。「オン」状態および「オフ」状態でのＲＦ信号減衰を決定する接触電極３０の垂直方向変位の大きさは、作動電極およびメンブレンの幾何学的な設計によって決定される。この設計の他のいくつかの利点は明らかである。スイッチを確実に解除するために必要な機械的復元力は、作動電圧要求条件からいくぶん切り離されている。
【００２０】
図７〜９は、作動電極の２つの他の設計の側面図を示す。はっきりさせるために、メンブレンの小さな部分だけを示し、電極７０および誘電体６０の細部だけが含まれている。電極７０はレバーとして作用し、電極７０がより高く作られるとき、より大きな湾曲を引き起こし、これによってより大きな垂直方向変位ｄが生じるようになる。図８に示すように、作動電極７０の金属厚さを増すことによって、電極重なり部分の追加を生じさせることができる。これによって、同等な静電力を実現するのに必要な電圧が減少する。また、図９に示すように、電極重なりの追加なしに、電極をより高くすることができるかもしれない。メンブレンの長さおよび作動電極の数を増すことによっても、また、より大きな垂直方向変位が達成される。この特有の作動方法の他の利点は、すべての作動電極に正の電圧を加えることでスイッチの解除を助けることができることである。本構成では、すべての作動電極は反発する傾向があり、メンブレンの逆の湾曲を生じさせ、それによって、接触電極３０の底面と信号電極２０の間の接触を離す。
【００２１】
図１０は、図３〜６のＭＥＭＳスイッチの代わりのメンブレン／電極組立品（「オフ」状態にあるスイッチの場合）を示し、ここでは、作動電極７０の間にエア・ギャップ７１の代わりに圧電素子が挿入されている。圧電材料は電界の影響を受けて縮まって、図６に示すようにメンブレンを曲げるように応力勾配を生じさせる。圧電材料８０は、電界の影響を受けて１つの結晶軸方向で伸びて、圧電層８０と誘電体メンブレン６０の間に応力勾配を生じさせる。圧電材料８０と誘電体６０の間の応力勾配によって、図６に示すものと同様な曲ったメンブレンが生じる。この設計で、図３、４および５、６に詳細に示すように、導電性ビア接触７５が線トレース７２と交互配置されたフィンガ７０を接続する。使用される圧電材料およびそれの結晶方位に依存して、作動フィンガ間に電圧差を加えることで、凹状または凸状の湾曲が生じる。
【００２２】
圧電素子用の好ましい材料は、ＢａＴｉＯ３、およびＬａ、ＦｅまたはＳｒのドーパントを有するＰｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３、ならびにＫｙｎａｒ（商標）圧電膜（Pennwalt, Inc.の登録商標）としても知られているポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）である。
【００２３】
さらに他の好ましい実施例では、図１１に示すように、交互配置された作動電極の追加の組をメンブレンの下に作ることができ、金属埋込み（inlay）７２が誘電体６０中に埋め込まれ、そして図示されない金属充填ビアが金属埋込み７２をフィンガ７０または７４に接続している。この設計で、下の交互配置作動電極７４は、有利なことには、２つの目的のために使用される。１つの目的は、静電的「オン」作動を助けることであり、この場合、上のフィンガ７０に交互になる正および負の電位を加えると同時に、すべての下のフィンガ７４に正電圧のパルスを加える。これによって、スイッチ接点３０が金属トレース２０に接触するかまたは金属トレース２０のすぐ近くにくるように、スイッチ接点３０を変位させる追加の静電力を与える。下の交互配置電極の第２の目的は、スイッチの解除（「オフ」状態への転換）を強制することである。スイッチを解除するために、すべての上の電極７２に正電圧のパルスを加えると同時に、交互になる正および負の電位を電極７４に加える。このように、下の交互配置電極は、スイッチの作動と解除の両方を手助けする。
【００２４】
さらに他の好ましい実施例では、スイッチは、図１２に示すように、ただ１つの機械的ＲＦ信号接点を有する状態で設計される。この設計では、ＲＦ信号経路は、金属導電性層９０、プランジャ要素４０および接触要素３０を通って導かれる。スイッチが作動されたとき、要素３０は単一金属トレース２１に接触するかまたはそれのすぐ近くにきて、スイッチを閉じる。この設計の利点は、図３、４に示すものに比べて、接触抵抗が減少することである。図３、４では、要素３０が信号金属トレース２０を橋絡し、２つの接触抵抗が直列に加えられる。
【００２５】
説明したスイッチは、Ｎ投数のためにＮ個のスイッチの信号入力を並列接続した単極多投接点（ＳＰＭＴ）スイッチとして構成することができる。これを、メンブレン／電極形状を有する図３、４に示す単投スイッチを使用して、図１３に示す。共通ＲＦ入力が、孤立したＲＦ出力を有する３つのＭＥＭＳスイッチ・デバイスに利用される。ＲＦ入力信号をＲＦ出力のどれか１つに送るために、それぞれのＶｄｃ＋信号がスイッチを「作動」するように加えられる。説明し図示するスイッチは、図３、４および５、６に示すように抵抗スイッチとして構成されるかもしれないし、または、信号電極２０または橋絡接点３０あるいはその両方の上に薄い誘電体層を付け加えて容量結合スイッチとして構成されるかもしれない。
【００２６】
図１４〜２４は、本発明のＭＥＭＳスイッチを製造するために必要なステップを示す。図１４は、金属トレース２０が周囲の誘電体２２中に埋め込まれている基板１８の断面を示す。基板１８は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＯ２またはガラスのような半導体デバイスの製作に一般的に使用される任意の基板材料で作られる。また、基板は、トランジスタ、ダイオード、抵抗器またはコンデンサのような既に作られた半導体デバイスを含むこともできる。相互接続配線は、また、ＭＥＭＳスイッチ・デバイスの製作前か製作中に含めることもできる。
【００２７】
以下の製作プロセスは、１組の特定の材料層に関して示すが、当業者は同じデバイスを製作するために異なる組合せの材料を使用することができることは理解される。このデバイスを製作するために使用される材料は、４つのグループに分類される。第１のグループは、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｈｆ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｔａ、ＷおよびＺｒのような、しかしこれらに限定されない知られている導電性金属元素およびその元素の合金で作られる金属トレースである。この金属は、また、結果として得られる材料が導電性である限りで、Ｎ、Ｏ、Ｃ、Ｓｉ、およびＨを含むこともできる。第２の組の材料は、ＡｌＮ、ＡｌＯ、ＨｆＯ、ＳｉＮ、ＳｉＯ、ＳｉＣＨ、ＳｉＣＯＨ、ＴａＯ、ＴｉＯ、ＶＯ、ＷＯ、およびＺｒＯ、またはこれらの混合物のような、しかしこれらに限定されない、金属導体を絶縁しかつ可動ビームを基板に物理的に接続するために使用される誘電体層である。第３の組の材料層は、硼燐珪酸ガラス（ＢＰＳＧ）、Ｓｉ、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＧｅ、ａ−Ｃ：Ｈ、ポリイミド、ポリアラレンエーテル（polyaralene ethers）、ノルボルネン、およびこれらの官能化誘導体、ならびにベンゾシクロブタンおよびフォトレジストのような、しかしこれらに限定されない犠牲層材料である。最後の組の材料層は、ＳｉＯ、ＳｉＮ、炭素含有材料（重合体およびアモルファス水素化炭素を含んだ）、およびこれらの混合物のような、しかしこれらに限定されない、誘電体メンブレンまたはビームに使用される材料である。
【００２８】
誘電体２２は、基板１８の一部であるかもしれないし、またはＭＥＭＳスイッチの第１の層であるかもしれない。埋め込み金属トレース２０および誘電体２２を備えるこの平らな表面の上に、他の誘電体層５０を堆積し、図１５に示すようにパターン形成する。随意のエッチング停止誘電体を誘電体２２と５０の間に加えて、誘電体２２および金属２０中へのエッチングを最小限にすることができる。それから、図１６に示すように、パターン形成された誘電体５０の上に犠牲層１２５を堆積し、これに続いて金属層１３０および誘電体１４０を堆積する。リソグラフィに続いてエッチングを使用して、最初に誘電体１４０をパターン形成し、それから再び１３０をパターン形成して、図１７に示すように棒１４１および橋絡接点１３１を形成する。最初の層１３０が犠牲層１２５上に直接堆積された導電性金属であり、かつ良好なＲＦ信号伝達のために十分に導電性である限りで、層１３０および１４０は、金属、誘電体、または両方の組合せであることができる。犠牲層の他の層１２６を堆積し、平坦化する（図１８）。この表面は、研磨によって、または化学機械研磨（ＣＭＰ）のような方法によって平坦化される。それから、第２の平坦化表面の上に薄い金属層７２を堆積し、パターン形成する（図１９）。エッチング停止金属または誘電体を、第２の平坦化表面と層７２の間に使用して、層７２のパターン形成プロセス中の層５０または１２６のエッチングを防止することができる。形成すべき次の層は、デバイスの微小機械ビームまたはメンブレン要素６０である。ビームまたはメンブレン要素６０は、最適な機械的信頼性、性能および製造適合性を得るために、上で列挙した誘電体材料のどれか１つ、または組合せ誘電体層を使用して製造することができる。
【００２９】
次に、図２０に示すように、小さなビア孔６９を誘電体６０に形成して、金属層７２を露出させる。ビア孔の数は、誘電体６０を機械的に弱くすることがないように、最小限とされる。それから、誘電体６０の上に金属層７０を堆積し、この金属層７０が、金属層７２と７０間の電気的接触を行うようにビア孔６９を充填する。それから、フォトリソグラフィおよびエッチングを使用して、図２１に示すように、金属層７０をパターン形成する。前に述べたように、金属作動フィンガ７０は、レバーとしてメンブレン６０にしっかり固定された場合に、メンブレン６０の湾曲を引き起こすのにより効果的であるように作られる。図２２に、この強化機構を有する構造を示す。この強化された特徴は、金属７０をマスクとして使用して誘電体層６０を異方性エッチングして、誘電体メンブレンのいくらかを除去してフィーチャ１６０を形成することによって形成される。異方性エッチングの後で、随意の薄い誘電体膜を金属フィンガ７０および誘電体６０の上に付けて、金属フィンガ７０の直流短絡を防ぐ。図２３に示すデバイスの上面図に示されるように、フォトリソグラフィ・パターン形成を使用して、誘電体６０にアクセス・スロットおよびビア孔８０を形成する。アクセス・パターンは、誘電体スタック６０を完全に貫通してエッチングされ、犠牲層２６を露出させる。ＭＥＭＳスイッチ製作プロセスの最終ステップは、犠牲材料を除去する選択的等方性エッチング・プロセスを使用して、図２４に示すように露出誘電体層または金属層を実質的にエッチングすることなく、犠牲層２５および２６を除去して、エア空洞２５０を形成することである。
【００３０】
本発明は、好ましい実施例に関して説明したが、当業者は容易に認めることであろうが、多くの変更および修正が可能であり、これらの変化および修正のすべては、添付の特許請求の範囲で定義されるような本発明の精神および範囲内にとどまっている。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
この発明は無線通信の分野で、より詳細には、セル電話などで使用される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】開いた状態にある従来技術ＭＥＭＳスイッチを示す模式図である。
【図２】閉じた状態にある従来技術ＭＥＭＳスイッチを示す模式図である。
【図３】本発明に従ったダイアフラム作動ＭＥＭＳスイッチを示す側面図である。
【図４】本発明に従ったダイアフラム作動ＭＥＭＳスイッチを示す上面図である。
【図５】本発明に従ったＭＥＭＳスイッチを示す他の断面図である。
【図６】本発明に従った図５と同じＭＥＭＳスイッチを示す断面図であり、メンブレンの曲がり湾曲を生じさせる金属アクチュエータ間の静電引力を示す。
【図７】図３〜６のスイッチで使用することができるメンブレン／電極形状を示す側面図である（「オン」状態にあるスイッチの場合）。
【図８】図３〜６のスイッチで使用することができるメンブレン／電極形状を示す側面図である（「オン」状態にあるスイッチの場合）。
【図９】図３〜６のスイッチで使用することができるメンブレン／電極形状を示す側面図である（「オン」状態にあるスイッチの場合）。
【図１０】図３〜６のＭＥＭＳスイッチの他のメンブレン／電極組立品（「オフ」状態にあるスイッチの場合）を示す図であり、圧電素子がエア・ギャップの代わりに作動電極間に使用されている。
【図１１】さらに追加の好ましい実施例を示す図であり、メンブレンの上と下の両方にある交互配置された作動電極を示す。
【図１２】さらに追加の好ましい実施例を示す図であり、代わりの「単一接点」ＭＥＭＳスイッチを示す。
【図１３】単極多投接点構成のＭＥＭＳスイッチを示す図である。
【図１４】本発明のＭＥＭＳスイッチを製造するために必要なステップを示す図である。
【図１５】本発明のＭＥＭＳスイッチを製造するために必要なステップを示す図である。
【図１６】本発明のＭＥＭＳスイッチを製造するために必要なステップを示す図である。
【図１７】本発明のＭＥＭＳスイッチを製造するために必要なステップを示す図である。
【図１８】本発明のＭＥＭＳスイッチを製造するために必要なステップを示す図である。
【図１９】本発明のＭＥＭＳスイッチを製造するために必要なステップを示す図である。
【図２０】本発明のＭＥＭＳスイッチを製造するために必要なステップを示す図である。
【図２１】本発明のＭＥＭＳスイッチを製造するために必要なステップを示す図である。
【図２２】本発明のＭＥＭＳスイッチを製造するために必要なステップを示す図である。
【図２３】本発明のＭＥＭＳスイッチを製造するために必要なステップを示す図である。
【図２４】本発明のＭＥＭＳスイッチを製造するために必要なステップを示す図である。
【図１】
2005536847.tif 000003
【図２】
2005536847.tif 000004
【図３】
2005536847.tif 000005
【図４】
2005536847.tif 000006
【図５】
2005536847.tif 000007
【図６】
2005536847.tif 000008
【図７】
2005536847.tif 000009
【図８】
2005536847.tif 000010
【図９】
2005536847.tif 000011
【図１０】
2005536847.tif 000012
【図１１】
2005536847.tif 000013
【図１２】
2005536847.tif 000014
【図１３】
2005536847.tif 000015
【図１４】
2005536847.tif 000016
【図１５】
2005536847.tif 000017
【図１６】
2005536847.tif 000018
【図１７】
2005536847.tif 000019
【図１８】
2005536847.tif 000020
【図１９】
2005536847.tif 000021
【図２０】
2005536847.tif 000022
【図２１】
2005536847.tif 000023
【図２２】
2005536847.tif 000024
【図２３】
2005536847.tif 000025
【図２４】
2005536847.tif 000026
【国際調査報告】
2005536847.tif 000027