(57)【要約】マイクロ電子−機械的可変キャパシタ装置は、第１の基板24と、基板の第１の表面に配置される第１のコンタクト34と、基板の第１の表面の上方に配置されるピエゾ電気アクチュエイタ16と、アクチュエイタに結合され第１のコンタクトに近接して配置される第２のコンタクト18と、第２のコンタクトに関する第１のコンタクトの移動を限定する基板とアクチュエイタとの間に配置されたギャップ制御機構とを含んでいる。実施例ではギャップ制御機構は誘電体材料で構成されたギャップ制御停止部37である。実際には複数の停止部が使用される。実施形態では複数の超音波熱圧縮結合部25がアクチュエイタを第１の基板に接続するのに使用される。第２の基板14はピエゾ電気アクチュエイタ上に配置される。第２の基板は結合部への結合ツールの適用を容易にするウェル15、17を結合部上に有する。ギャップ制御機構は、高温に露出せずにフリップチップとベース基板との間で一定の高さ制御を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板（24）と、
前記基板（24）の第１の表面上に配置される第１のコンタクト（34）と、
前記基板（24）の第１の表面の上方に配置されるピエゾ電気アクチュエイタ（16）と、
前記アクチュエイタ（16）に結合され、前記第１のコンタクト（34）に近接して配置される第２のコンタクト（18）と、
前記第２のコンタクト（18）に関する前記第１のコンタクト（34）の移動を限定するために前記基板（24）と前記アクチュエイタ（16）との間に配置されるギャップ制御停止部（37）とを具備していることを特徴とするマイクロ電子−機械的可変キャパシタ。
【請求項２】
さらに、前記アクチュエイタ（16）と前記第１の基板（24）との間に複数の結合部（25）を含んでいる請求項１記載のマイクロ電子−機械的可変キャパシタ。
【請求項３】
前記結合部（25）は超音波熱圧縮による金−金結合部である請求項２記載のマイクロ電子−機械的可変キャパシタ。
【請求項４】
さらに、前記ピエゾ電気アクチュエイタ（16）上に配置された第２の基板（14）を含んでいる請求項３記載のマイクロ電子−機械的可変キャパシタ。
【請求項５】
前記第２の基板（14）は、結合ツールの前記結合部（25）への適用を容易にするために前記結合部（25）の上方にウェル（15、17）を有している請求項４記載のマイクロ電子−機械的可変キャパシタ。
【請求項６】
さらに、前記第２の基板（24）の第２の表面の下側に金属被覆層（23）を含んでいる請求項１記載のマイクロ電子−機械的可変キャパシタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気及び電子部品、回路、および装置に関し、特に、本発明はマイクロ電気−機械（ＭＥＭＳ）装置と共に構成される電気及び電子部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の電気及び電子装置はＭＥＭＳ技術で構成されている。ＭＥＭＳ技術は通常のディスクリートな部品の構成よりも損失を低くすることができる。残念ながら、可変キャパシタのようなあるタイプの部品では、従来のＭＥＭＳ設計はＭＥＭＳ技術の低損失の潜在的能力を十分に活用していない。これらの従来の方法は、ＭＥＭＳ装置の駆動機構に関連する寄生的効果のためにやや損失がある。
【０００３】
さらに、従来のＭＥＭＳ設計は静電的駆動およびバイメタル条帯方法を使用している。残念ながら、静電的引力は可変キャパシタの構成では実用的ではなく、バイメタル方法は非常に遅く、非常の多くの電力を必要とすることが認められている。
【０００４】
したがって、ＭＥＭＳ技術により構成される改良された可変キャパシタ設計が技術で必要とされている。この要求はJ. Park等により2002年11月14に出願された発明の名称“MICRO ELECTRO-MECHANICAL SYSTEM DEVICE WITH PIEZOELETRIC THIN FILM ACTUATOR”の米国特許出願第10/294,413号明細書（代理人番号PD01W132）の発明により満足され、この文献の教示はここで参考文献とされている。この明細書では基板に配置されているピエゾ電気薄膜アクチュエイタと、スペーサとして機能する導電性のバンプとを備えた無線周波数ＭＥＭＳ装置が開示されている。１実施形態では、装置が同調可能なキャパシタとして使用可能であることが開示されており、それにおいては導電パス電極とＲＦパス電極との間の電極間スペーシングがアクチュエイタビームにより制御可能に変化され、それによって電極間のキャパシタンスを選択的に変化させている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
“フリップ−チップ”として知られているこれらの装置は、通常の設計に関してさかさまの方向で配置されるために、典型的にスクリーン印刷はんだペーストまたは導電性のエポキシにより組み立てられ、摂氏１５０度を超える温度でリフローされる。残念ながら、これらの方法はフリップチップと、そのフリップチップが取付けられる基板との間の高さのギャップの厳密な制御が必要とされる応用では使用されることができない。ペーストまたははんだの量の変動が大きいので、一定した高さが得られないので、高さは良好に制御されない。これは特に、同調可能なキャパシタの構造に関して問題である。
【０００６】
高さの要求を制御するための大部分の方法は、より良好で一定したバンプを開発する努力またはスクリーン印刷される材料の量の制御を含んでいる。バンプ処理は制御が困難な多くの変数を含んだプロセスである。バンプはしばしば、パルスめっきを使用してめっきされ、最適の高さを実現するために、かなり頻繁にチェックされる。その代わりとして、バンプは後に特定の高さまでラップ仕上げされる。これは各バンプの高さを非常に均等にすることができるが、スクリーン印刷されるはんだペーストまたは導電性エポキシの量の変化を補償しない。
【０００７】
スクリーン印刷される材料は機械加工されたステンシルまたはスクリーン上のエマルジョンの許容度に非常に依存する。レーザ機械加工または化学エッチングステンシルは典型的に＋／−０．００１ミルの許容度を有し、これはステンシルの開口が０．００４インチのように小さい場合、多量の変化になる可能性がある。材料の流れを妨げるスクリーンメッシュのために、エマルジョンスクリーンは一貫しない量の付着を行う。
【０００８】
別の方法はチップ全体を鍛造可能なパッドへの熱的圧縮を使用してフリップチップを組み立てることである。この方法では、装置は摂氏１５０度を超える温度で良好に組み立てられるが、パッドの高さは依然として制御が困難である。
【０００９】
したがって、前述の明細書は技術の要求を解決しているが、製造が容易なＲＦ  ＭＥＭＳ設計と、改良された関連する製造方法の必要性が技術的に未解決で残されている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この技術の必要性は、本発明のマイクロ電子−機械装置とその製造方法により解決される。例示的な実施形態では、本発明の装置は第１の基板と、その基板の第１の表面上に配置される第１のコンタクトと、基板の第１の表面の上方に配置されるピエゾ電気アクチュエイタと、そのアクチュエイタに結合され、第１のコンタクトに近接して配置される第２のコンタクトと、第２のコンタクトに関して第１のコンタクトの移動を制限するために基板とアクチュエイタとの間に配置されるギャップ制御機構とを含んでいる。
【００１１】
例示的な実施形態では、ギャップ制御機構は誘電体材料から構成されるギャップ制御停止部である。実際には、複数の停止部が使用される。例示的な実施形態では複数の超音波熱圧縮結合部がアクチュエイタを第１の基板に接続するために使用される。第２の基板はピエゾ電気アクチュエイタ上に配置される。第２の基板は結合部への結合ツールの適用を助けるために結合部上にウェルを有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の有効な教示を説明するために、説明する実施形態と例示的な応用を添付図面を参照にして説明する。  
本発明を特定の応用の例示的な実施形態を参照にしてここで説明するが、本発明はそれに限定されないことを理解すべきである。当業者は、技術的範囲内の付加的な変形、応用、実施形態と、本発明が非常に有用である付加的な分野を認識するであろう。
【００１３】
図１はPark等の出願で開示されたＭＥＭＳ装置10の側面の断面図であり、その教示はここで参考文献とされている。図１に示されているように、装置10は半導体基板14と、その基板14上に取付けられたピエゾ電気薄膜アクチュエイタ16と、ピエゾ電機薄膜アクチュエイタ16により駆動される導電パス電極18と、外部電圧源（図示せず）に接続され、装置10を動作するのに必要な電圧を提供する導電性バンプ22と、導電パス電極18から間隔を隔てられてＲＦ回路基板24上に取りつけられたＲＦ入力およびＲＦ出力パス電極32、34とを含んでいる。ピエゾ電気薄膜アクチュエイタ16は半導体基板14と共に製造され、例えばフリップチップ技術を使用してＲＦ回路基板24に転送される。例示的な実施形態では、図１の右側に示されているバンプはスペーサとして作用するが、バンプは代わりに、所望ならば別の装置の一部を形成することができることに注意すべきである。
【００１４】
ピエゾ電気薄膜アクチュエイタ16は例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）のようなピエゾ電気特性を有する任意の適切な材料を含むことができる。
【００１５】
ＰＺＴの薄膜アクチュエイタ16は、１対の電極40、42と、電極40、42との間に配置されているジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）から作られるピエゾ電気層44と、電極40（図１の上部電極）と半導体基板14との間に配置されている弾性層50とを含んでいる。
【００１６】
隔離層52が弾性層50に隣接して設けられており、40と42の間の電気アークを阻止または少なくとも実質的に減少させる。ＰＺＴの薄膜アクチュエイタ16は半導体基板14に近接している固定された基端部54と、基板14のトレンチ領域60に延在する自由末端部56とを有する。ＰＺＴの薄膜アクチュエイタ16はしたがって、カンチレバービームを形成し、これはトレンチ領域60内で可動である。
【００１７】
示されている例示的な実施形態では、導電パス電極18はＰＺＴの薄膜アクチュエイタ16の縦方向の範囲を横切る。したがって導電パス電極はページの平面に対して垂直である。同様に、ＲＦ入力とＲＦ出力パス電極32、34は図１に示されているように、ＰＺＴの薄膜アクチュエイタ16の縦方向の範囲を横切る。
【００１８】
本発明によるＲＦ  ＭＥＭＳ装置10は、制御可能な変位部を有するスイッチとして、または電極32？と34との間のキャパシタンスを変化するための同調可能なキャパシタとして使用されることができる。動作期間中、ＲＦ  ＭＥＭＳ装置10は導電パス電極18とＲＦ入力とＲＦ出力パス電極32、34との間のギャップの距離を変化する。特に、電圧源が電極40と42に与えられる電圧の電位を増加及び減少するとき、ＰＺＴ層44はその長さの寸法を変化し、即ちＰＺＴ層44はそれぞれ膨張及び収縮する。弾性層50はそれに応じて、ＰＺＴ層44の膨張及び収縮を、ＰＺＴ薄膜アクチュエイタ16のカンチレバーまたは末端部56の上方向及び下方向の運動へ変換する。下方向へ屈曲するとき、末端部56は導電パス電極18をＲＦ入力とＲＦ出力パス電極32、34に近づけるか、接触させる。上方向へ屈曲するとき、末端部56は導電パス電極18をＲＦ入力とＲＦ出力パス電極32、34から離す。
【００１９】
ＰＺＴの薄膜アクチュエイタ16はしたがって、導電パス電極18とＲＦ入力およびＲＦ出力パス電極32？、34との間の変位部をアクチブに制御する。変位の量は主として駆動電圧と、ＰＺＴ層44および弾性層50の寸法を含めたＰＺＴ薄膜アクチブ16の寸法に依存している。
【００２０】
スイッチとして使用するとき、ＲＦ  ＭＥＭＳ装置10は導電パス電極18とＲＦ入力およびＲＦ出力パス電極32、34との間の空間を閉じることができ、したがってスイッチをオンに切り換え、または空隙を開け、したがってスイッチをオフに切り換える。ＲＦ  ＭＥＭＳ装置は同調可能なキャパシタとしても使用されることができ、それにおいては導電パス電極18とＲＦ入力およびＲＦ出力パス電極32、34との間の電極間の間隔は、その間の同調キャパシタンスを選択的に変化するためにＰＺＴ薄膜アクチュエイタ16によって制御可能に変化される。
【００２１】
前述したように、“フリップ−チップ”として知られているこれらの装置は、通常の設計に関してさかさまの方向で取付けられているために、典型的にスクリーン印刷はんだペーストまたは導電性のエポキシにより組み立てられ、摂氏１５０度を超える温度でリフローされる。残念ながら、これらの方法はフリップチップと、それが取付けられる基板との間のギャップの高さの厳密な制御が必要とされる応用では使用されることができない。ペーストまたははんだの量に大きな変動があり、一定した高さが実現されることができないので、高さは良好に制御されない。これは特に、同調可能なキャパシタの構造に関して問題である。
【００２２】
高さを制御するための多くの試みは、より良好で一定したあるバンプを開発する努力またはスクリーン印刷される材料の量の制御を含んでいる。バンプ処理は制御が困難な多くの変数を含んだプロセスである。バンプはしばしば、パルスめっきを使用してめっきされ、最適の高さを得るために、かなり頻繁にチェックされる。その代わりとして、バンプは後に特別な高さになるまでラップ仕上げされる。これはバンプ間の高さを非常に均等にすることができるが、スクリーン印刷されるはんだペーストまたは導電性エポキシの量の変化に対しては補償しない。
【００２３】
スクリーン印刷される材料は機械加工されたステンシルまたはスクリーン上のエマルジョンの許容度に非常に依存する。レーザによる機械加工または化学エッチングステンシルは典型的に＋／−０．００１ミルの許容度を有し、これはステンシルの開口が０．００４インチのように小さい場合、多量の変化になる可能性がある。材料の流れを妨げるスクリーンメッシュのために、エマルジョンスクリーンは一定しない量の付着を行う。
【００２４】
別の方法はチップ全体を鍛造可能なパッドへの熱的圧縮を使用してフリップチップを組み立てることである。この方法では、装置は摂氏１５０度を超える温度で良好に組み立てられるが、パッドの高さは依然としてこのプロセスでは制御が困難である。
【００２５】
したがって、先に参照した応用は技術の要求を解決しているが、製造が容易なＲＦ  ＭＥＭＳ設計と、改良された関連する製造方法の必要性が技術的に解決されずに残されている。この必要性は本発明のマイクロ電子−機械装置及び方法により解決される。
【００２６】
図２は、組み立てられていない関係にあり、本発明の教示により構成されるＭＥＭＳ装置10’の例示的な実施形態の断側面図である。図２に示されているように、本発明の装置10’の設計は、導電性のバンプが金または他の適切な材料の結合部により置換され、ギャップ停止部がアクチュエイタと基板との間に含まれ、溶接または結合を容易にするために穴が基板に設けられている点を除いて、従来の設計10に実質的に類似している。
【００２７】
すなわち、示されている実施形態では、本発明の装置10'は金属被覆層23を覆って配置されているベース基板24を含んでおり、これは応用に応じて、共面波（ＣＰＷ）伝送線として作用できる。示されている実施形態では、ベース基板はアルミナで製造される。しかしながら当業者はベース基板24が水晶、砒化ガリウム、デュロイドまたはその他の適切な伝送線の誘電体媒体で構成されることができることを認識するであろう。
【００２８】
伝送線23は無線周波数（ＲＦ）信号の入力及び出力を与える。第１のコンタクト34はベース基板24の上部表面に配置されている。図１と同様に、ピエゾ電気アクチュエイタ16は基板24の上部表面を覆って配置される。第２のコンタクト18はアクチュエイタ16に結合され、第１のコンタクト34に近接して配置されている。本発明によれば、ギャップ制御機構は、第２のコンタクトに関して第１のコンタクトの移動を制限するためにベース基板24とアクチュエイタとの間に配置されている。示された実施形態では、ギャップ制御機構は複数のギャップ制御停止部37、39により与えられ、その２つだけが図２に示されている。例示的な実施形態では、ギャップ制御停止部はフォトレジストまたは他の誘電体材料から製造される。実際には、複数の停止部が使用される。当業者は本発明の教示が、停止部の数、配置または構造に限定されないことを認識するであろう。
【００２９】
例示的な実施形態では、複数の超音波熱圧縮結合部25がアクチュエイタ16をベース基板24に接続するために使用される。図１の実施形態と同様に、第２の基板14はピエゾ電気アクチュエイタ16上に配置される。例示的な実施形態では、第２の基板はシリコンである。しかしながらその他の材料が本発明の技術的範囲を逸脱せずに使用されることができ、または完全に除去されることができる。第２の基板14は結合ツールの適用を容易にするために結合部25上にウェル15、17を有している。
【００３０】
この装置10'はシリコン上に形成され、アルミナベースにフリップされ結合される。したがって、“フリップチップ”と呼ぶ。キャパシタンスはアルミナ回路上の電極34と、ピエゾ電気アクチュエイタに取付けられている誘電体18との間で発生する。キャパシタの誘電体は空気であり、キャパシタ電極上の金属被覆層は金であるので、損失は低い。ＭＥＭＳ装置上の電極は実際には、図６に示されているように背中合わせの直列のキャパシタを形成する２つの電極である。この特徴により、挿入損失性能と妥協するＲＦパスはピエゾ電気材料またはシリコン基板上に存在しない。
【００３１】
装置10’を構成するために、示された実施形態では、適切な深さ（例えば約２ミクロン）のフォトレジストはベース24にスピン被覆され、その高さは（例えば約＋／−２００オングストロームまで）制御される。フォトマスクはギャップ停止部として作用する４つのポストをベース基板領域中のチップの周辺近くに位置させるために使用されることができる。アルミナベース基板24はＳＰＴ（単一点が突出するｖタブ）ツール19を有するＨｙｂｏｎｄ  Ｍｏｄｅｌ  ６７６の超音波熱圧縮ワイヤ結合装置のような結合装置に配置される。シリコンチップは外側整列ターゲットを使用してベース基板上に配置され位置が定められる。整列の完了後、金−金（Ａｕ−Ａｕ）結合部25はシリコン基板14中の穴15と17を通して溶接される。
【００３２】
示されている実施形態では、変更された超音波熱圧縮結合ツール19を使用して、フリップチップ基板の穴を通して、アクチュエイタ16の下面上の金結合部25の上部パッド29をベース基板24上の金結合部25の下部パッド31へ超音波熱圧縮結合することによって、取り付け及び電気的接続が行われる。フリップチップ基板の穴を通して結合することによって、超音波熱圧縮パワーは基板の上部に与えられるよりも効率的に使用され、したがってより良好な結合が実現されることができる。
【００３３】
示されている実施形態では、シリコン基板14の穴15と17は金パッド下の窒化物層50を露出するために深く、反応性イオンエッチングされる（これは先に参照したPark等の出願に開示されている）。示されている実施形態の超音波熱圧縮結合パラメータは１５０ｍＷの超音波パワーであり、５００ｍｓの継続期間で、２３６ｇの力である。この高い圧力、高パワー、長さの時間はシリコン上の窒化物層を貫通し、上部及び下部パッドを共に溶接して結合部25を設けるのに必要とされる。
【００３４】
図３は、組み立てられた関係にある図２のＭＥＭＳ装置の断面で示した側面図である。組み立てられるとき、上部及び下部パッドは共に溶接されて、結合部25および、ベース基板24とアクチュエイタ16との間でフルに延在するギャップ制御停止部を設けることに注意すべきである。
【００３５】
図４は、本発明により構成される例示的な位相シフタ構造におけるＣＰＷ伝送線を横切って取付けられた単一のＭＥＭＳ可変キャパシタの平面図である。図４に示されているように、装置10’は４つの整列ターゲット41を使用して整列される。本発明のフリップチップ10’はそのコーナーの４つの結合部25を使用して、ベース基板（図示せず）に固定されている。ライン43と45は駆動信号がピエゾ電気アクチュエイタ16へ供給されることを可能にする。装置中央の暗い長方形はピエゾ電気アクチュエイタ間に懸架されているキャパシタ電極である。図２−４では、共振構造の領域内に損失のある材料がないようにするための、キャパシタの領域の上部シリコン基板14の除去を示している。
【００３６】
図５は、本発明により、ＭＥＭＳ可変キャパシタを使用しているロードされたライン位相シフタの例示的な構成の斜視図である。図５では、シリコン基板14は前述したようにエッチングにより中央部分を除去して裏返されて示されている。基板14の下には、複数の可変キャパシタ10’が基板24上に配置されている。ＣＰＷ伝送線34はＲＦ入力と出力を与えるために基板24上に配置されている。図６は、図５のＭＥＭＳ可変キャパシタを使用するロードされたライン位相シフタの例示的な構造の概略図である。図６から明白であるように、ＣＰＷ伝送線102は、両方の接地導体に対して対称的なシャントキャパシタを形成する可変キャパシタ電極によって周期的にスパンされている。例示的な実施形態では８つのキャパシタ電極が使用されている。
【００３７】
図７は、本発明の可変ＭＥＭＳキャパシタ10’を使用している５セクションのインターデジタルマイクロストリップ結合伝送線のバンドパスフィルタの回路レイアウトの断面の平面図である。
【００３８】
図８は、図７のインターデジタルマイクロストリップ結合伝送線のバンドパスフィルタ200の概略図を示している。図７及び８に示されているように、伝送線共振器202−210（偶数番号のみ）の端部にロードされている可変キャパシタは通過帯域の中心周波数の同調を可能にする。ピエゾ電気で駆動されたキャパシタ電極の例示的な位置が図７に示されている。図５および６の位相シフト回路100に関して、ＭＥＭＳ装置はアルミナ回路にフリップ結合されている単一のシリコン基板上に取付けられている。シリコン基板の中心は、共振構造の領域中に損失のある材料がないようにするため、シリコン基板の中心がエッチングされている。ＲＦ信号はそれぞれ第１及び第５の共振器202と210を介するフィルタ200への入力と、フィルタ200からの出力である。ＲＦ信号はその後、共振器の間で結合される。
【００３９】
以上、本発明を特定の応用に対する特定の実施形態を参照にしてここで説明した。当業者はその技術的範囲内で付加的な変形、応用、実施形態を認識するであろう。
【００４０】
それ故、特許請求の範囲は、本発明の技術的範囲内によって全てのこのような応用、変形、実施形態がカバーされることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】Park等の出願で開示されたＭＥＭＳ装置の断面図の側面図。
【図２】組み立てられていない関係にあり、本発明の教示により構成されるＭＥＭＳ装置の例示的な実施形態の断側面図。
【図３】組み立てられた関係にある図２のＭＥＭＳ装置の断面図の側面図。
【図４】本発明により構成される例示的な位相シフタ構造におけるＣＰＷ伝送線を横切って取付けられた単一のＭＥＭＳ可変キャパシタの平面図。
【図５】本発明により、ＭＥＭＳ可変キャパシタを使用してロードされたライン位相シフタの例示的な構成の斜視図。
【図６】図５のＭＥＭＳ可変キャパシタを使用してロードされたライン位相シフタの例示的な構成の概略図。
【図７】本発明の可変ＭＥＭＳキャパシタを使用している、５セクションのインターデジタルマイクロストリップ結合伝送線バンドパスフィルタの回路レイアウトの断面図の平面図。
【図８】図７のインターデジタルマイクロストリップ結合された伝送線のバンドパスフィルタの概略図。
【図１】
2008527715.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2008527715.tif 000007
【図６】
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【図７】
2008527715.tif 000009
【図８】
2008527715.tif 000010
【国際調査報告】
2008527715.tif 000011
2008527715.tif 000012
2008527715.tif 000013