(57)【要約】【課題】寄生容量を効果的に低減することの可能な可動素子を提供する。【解決手段】基板１０上に、信号を伝送するための信号線路２０と、その信号線路２０を機械的に継断するための継断部３０と、その継断部３０を切り替えると共に、継断部３０の切り替え後の状態を保持するための切替部４０とを備える。本実施の形態では、信号線路２０が導通し、オン状態となっているとき、信号線路２０および継断部３０は基板１０に接しておらず、基板１０上の中空に存在している。【選択図】図３
2008021532.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、
信号を伝送するための信号線路と、
前記信号線路を機械的に継断するための継断手段と、
前記継断手段を切り替えると共に、前記継断手段の切り替え後の状態を保持するための切替手段と
を備え、
前記信号線路および継断手段は、前記基板と離間して配置されている
ことを特徴とする可動素子。
【請求項２】
前記継断手段は、前記信号線路と接続された固定部と、前記切替手段と接続された可動部とを有し、
前記可動部は、前記切替手段に駆動信号が印加されていないときに前記固定部と接触し、前記切替手段に駆動信号が印加されているときに前記固定部と離間している
ことを特徴とする請求項１に記載の可動素子。
【請求項３】
前記継断手段は、前記信号線路と接続された固定部と、前記切替手段と接続された可動部とを有し、
前記可動部は、前記切替手段に駆動信号が印加されているときに前記固定部と接触し、前記切替手段に駆動信号が印加されていないときに前記固定部と離間している
ことを特徴とする請求項１に記載の可動素子。
【請求項４】
前記切替手段は、応力発生部と、前記継断手段の可動部を保持する保持部とを含む可動部を有し、
前記応力発生部は、前記継断手段の固定部に近接する方向へ前記保持部を移動させる応力を前記保持部に与える
ことを特徴とする請求項１に記載の可動素子。
【請求項５】
前記切替手段は、応力発生部と、前記継断手段の可動部を保持する保持部とを含む可動部を有し、
前記応力発生部は、前記継断手段の固定部から乖離する方向へ前記保持部を移動させる応力を前記保持部に与える
ことを特徴とする請求項１に記載の可動素子。
【請求項６】
前記切替手段は、前記切替手段の可動部と対向配置された固定部をさらに有し、
前記切替手段の固定部および保持部は、導電性材料または誘電体材料を含んでそれぞれ構成され、
前記切替手段は、駆動信号が印加されると、前記継断手段の固定部から乖離する方向へ前記保持部を移動させる静電力を発生させる
ことを特徴とする請求項４に記載の可動素子。
【請求項７】
前記切替手段は、前記切替手段の可動部と対向配置された固定部をさらに有し、
前記切替手段の固定部および保持部は、導電性材料または誘電体材料を含んでそれぞれ構成され、
前記切替手段は、駆動信号が印加されると、前記継断手段の固定部に近接する方向へ前記保持部を移動させる静電力を発生させる
ことを特徴とする請求項５に記載の可動素子。
【請求項８】
前記切替手段は、前記切替手段の可動部と対向配置された固定部をさらに有し、
前記切替手段の固定部および保持部は、薄膜コイルと絶縁層とを含んでそれぞれ構成され、
前記切替手段は、駆動信号が印加されると、前記継断手段の固定部から乖離する方向へ前記保持部を移動させる電磁力を発生させる
ことを特徴とする請求項４に記載の可動素子。
【請求項９】
前記切替手段は、前記切替手段の可動部と対向配置された固定部をさらに有し、
前記切替手段の固定部および保持部は、薄膜コイルと絶縁層とを含んでそれぞれ構成され、
前記切替手段は、駆動信号が印加されると、前記継断手段の固定部に近接する方向へ前記保持部を移動させる電磁力を発生させる
ことを特徴とする請求項５に記載の可動素子。
【請求項１０】
前記切替手段の保持部は、互いに異なる熱膨張係数を有する材料を複数積層して構成され、
前記切替手段は、駆動信号が印加されると、前記継断手段の固定部から乖離する方向へ前記保持部を移動させる歪を発生させる
ことを特徴とする請求項４に記載の可動素子。
【請求項１１】
前記切替手段の保持部は、互いに異なる熱膨張係数を有する材料を複数積層して構成され、
前記切替手段は、駆動信号が印加されると、前記継断手段の固定部に近接する方向へ前記保持部を移動させる歪を発生させる
ことを特徴とする請求項５に記載の可動素子。
【請求項１２】
前記切替手段の保持部は、圧電体を含んで構成され、
前記切替手段は、駆動信号が印加されると、前記継断手段の固定部から乖離する方向へ前記保持部を移動させる歪を発生させる
ことを特徴とする請求項４に記載の可動素子。
【請求項１３】
前記切替手段の保持部は、圧電体を含んで構成され、
前記切替手段は、駆動信号が印加されると、前記継断手段の固定部に近接する方向へ前記保持部を移動させる歪を発生させる
ことを特徴とする請求項５に記載の可動素子。
【請求項１４】
一の素子と他の素子とに接続された可動素子を内蔵する半導体デバイスであって、
前記可動素子は、基板上に、前記一の素子から前記他の素子へ信号を伝送するための信号線路と、前記信号線路を機械的に継断するための継断手段と、前記継断手段を切り替えると共に、前記継断手段の切り替え後の状態を保持するための切替手段とを備え、前記信号線路および継断手段は、前記基板と離間して配置されている
ことを特徴とする半導体デバイス。
【請求項１５】
前記一の素子、他の素子、および可動素子は、一連の機能を構成する複数の素子が一体的に形成されたＳｏＣ（System on a Chip) 内に形成されている
ことを特徴とする請求項１４に記載の半導体デバイス。
【請求項１６】
前記請求項８または請求項９に記載の半導体デバイスを内蔵する
ことを特徴とするモジュール。
【請求項１７】
前記請求項８または請求項９に記載の半導体デバイスを内蔵する
ことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems；マイクロマシン）の要素技術を応用したスイッチング素子や容量素子などの可動素子、ならびにその可動素子を内蔵する半導体デバイス、モジュールおよび電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の集積化技術の向上に伴い、電子機器の小型・軽量化、低電圧動作・低消費電力化、高周波動作化が急速に進んでいる。特に、携帯電話などの移動通信端末装置の技術分野では、上記の要求が厳しい上に、高機能化も求められており、これらの対立する課題を解決する技術の一つとして、ＭＥＭＳが注目されている。このＭＥＭＳは、シリコンプロセス技術により、マイクロな機械的要素と電子回路要素とを融合したシステムであり、日本では主にマイクロマシンと称されるものである。ＭＥＭＳ技術は、その精密加工性などの優れた特徴から、高機能化に対応しつつ、小型で低価格なＳｏＣ（System on a Chip) を実現することができる。
【０００３】
そのため、移動通信端末装置の技術分野では、このＭＥＭＳ技術を利用した様々な半導体素子、例えば、特許文献１および非特許文献１にそれぞれ記載されたスイッチング素子などが開発されている。
【０００４】
【特許文献１】RF MEMS Theory,Design,and Technology：pp135:Gabriel M.Rebeiz著: Wiley Intersience 出版
【非特許文献１】Yukihisa Yoshida,Tamotsu Nishino,Jiwei Jiao,Sang-Seok Lee,Yoshiyuki Suehiro,Ken'ichi Miyaguchi,Tatsuya Fukami,Masafumi Kimata,Osami Ishida, "A Novel Grounded Coplanar Waveguide With Cavity Structure" ,IEEE Trans. Microwave Theory Tech
【０００５】
上記特許文献１のスイッチング素子では、図１６（上面図）および図１７（Ａ）（図１６のＥ−Ｅ矢視方向の断面図）に示したように、基板１００の表面に信号線路１１０が形成されており、その信号線路１１０の中途に継断部１２０が形成されている。継断部１２０は、信号線路１１０の両端にそれぞれ接続された固定部１２１，１２１と、これら固定部１２１，１２１と所定の間隙を隔てた中空に配置された可動部１２２とを有している。また、継断部１２０に隣接して切替部１３０が形成されている。この切替部１３０は、固定部１３１と、固定部１３１と所定の間隙を隔てて中空に配置された可動部１３２とを有しており、継断部１２０の可動部１２２と切替部１３０の可動部１３２とは、保持部１３３によってそれぞれ中空に保持されている。このスイッチング素子では、駆動信号線路１４０を介して駆動信号が切替部１３０に印加され、可動部１２２と固定部１３１との間に静電力が発生すると、可動部１２２が固定部１３１に引きつけられる（図１６（Ｂ）参照）。これにより、継断部１２０の固定部１２１，１２１と可動部１２２とが互いに接して、信号線路１１０が導通し、オン状態となる。
【０００６】
また、上記非特許文献１のスイッチング素子では、図１８（上面図）、図１９（Ａ）（図１８のＦ−Ｆ矢視方向の断面図）および図１９（Ｂ）（図１８のＧ−Ｇ矢視方向の断面図）に示したように、基板２００と所定の間隙を隔てた中空に信号線路２１０が形成されており、その信号線路２１０の中途に継断部２２０が形成されている。継断部２２０は、信号線路２１０の両端にそれぞれ接続された可動部２２２，２２２と、これら可動部２２２，２２２と所定の間隙を隔てて基板２００の表面に配置された固定部２２１とを有している。また、継断部２２０に隣接して切替部２３０が形成されている。この切替部２３０は、基板２００の表面に配置された固定部２３１，２３１と、固定部２３１，２３１のそれぞれと所定の間隙を隔てて中空に配置された可動部２３２，２３２とを有しており、継断部２２０の可動部２２２，２２２と切替部２３０の可動部２３２，２３２とは、保持部２３３によってそれぞれ中空に保持されている。このスイッチング素子では、駆動信号が切替部２３０に印加され、可動部２２２，２２２と固定部２３１，２３１との間に静電力が発生すると、可動部２２２，２２２が固定部２３１，２３１に引きつけられる（図１９（Ｃ）参照）。これにより、継断部２２０の固定部２２１と可動部２２２，２２２とが互いに接して、信号線路２１０が導通し、オン状態となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１のスイッチング素子では、基板１００の表面に信号線路１１０が形成されているので、大きな寄生容量が発生する。寄生容量が大きいと、ＲＦ信号の透過特性が悪化するので、その透過特性を良くするためには、信号線路１１０の寄生容量を小さくすることが必要となる。そこで、従来から、（１）信号線路１１０の配線幅を細くしたり、（２）配線長を短くしたり、（３）配線間隔を広くしたり、（４）基板１００と信号線路１１０との間に絶縁層を設け、その絶縁層の絶縁性を高めたり、（５）信号線路１１０と信号線路１１０に隣接する他の信号線路との間の絶縁性を高めるなどの種々の方策が提案されていた。
【０００８】
しかし、（１）の方策では、配線抵抗が上昇して挿入損失が悪化してしまう。（２）の方策では、もともと配線長が最短となるように設計されていることが多いので、マージンはほとんどない。（３）の方策では、素子のフットプリントが大きくなってしまう。（４），（５）の方策では、使用可能な絶縁材料は限られており、数割程度しか絶縁性を高めることはできず、それ以上の絶縁性が必要な場合には新たに絶縁材料を開発することが必要となる。このように、従来の方策は、わずかな改善しかできなかったり、新たに別の問題が生じてしまうなど、実効ある解決策とは言えなかった。
【０００９】
他方、非特許文献１のスイッチング素子では、基板２００と所定の間隙を隔てた中空に信号線路２１０が形成されており、基板２００と信号線路２１０との間の絶縁性が極めて高いので、従来のものと比べて、寄生容量を低減することが可能である。しかし、このスイッチング素子では、図１９（Ｃ）に示したように、信号線路２１０が導通し、オン状態となったときに、基板２００と信号線路２１０との間隙が極めて狭くなるので、実質的に信号線路１１０が基板２００の表面に形成されているのと変わりがなく、寄生容量を効果的に低減することができないという問題があった。
【００１０】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、寄生容量を効果的に低減することの可能な可動素子、ならびにその可動素子を内蔵する半導体デバイス、モジュールおよび電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の可動素子は、基板上に、信号を伝送するための信号線路と、その信号線路を機械的に継断するための継断手段と、その継断手段を切り替えると共に、継断手段の切り替え後の状態を保持するための切替手段とを備えたものである。信号線路および継断手段は、基板と離間して配置されている。
【００１２】
本発明の半導体デバイス、モジュールおよび電子機器は、上記の可動素子を内蔵したものである。
【００１３】
本発明の可動素子、半導体デバイス、モジュールおよび電子機器では、信号線路および継断手段が基板と離間して配置されているので、信号線路が導通し、オン状態となったときに、信号線路が基板に近接する方向へ大きく移動することはなく、基板と信号線路との間隙が広く保たれる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の可動素子、半導体デバイス、モジュールおよび電子機器によれば、信号線路および継断手段を基板と離間して配置するようにしたので、信号線路が導通し、オン状態となったときに、基板と信号線路との間隙を広く保つことができる。これにより、信号線路の寄生容量を効果的に低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本実施の形態に係るスイッチング素子（可動素子）の構成要素を機能ブロックごとに表すものである。図２は図１のスイッチング素子の平面構成の一例を、図３（Ａ），（Ｂ）は図２のＡ−Ａ矢視方向の断面構成の一例をそれぞれ表すものである。なお、図３（Ａ）は信号線路２０（後述）が開放され、オフ状態となったときの様子を、図３（Ｂ）は信号線路２０が導通し、オン状態となったときの様子をそれぞれ表すものである。
【００１７】
このスイッチング素子は、一の素子（図示せず）から他の素子（図示せず）へ信号を伝送する伝送路中に実装される微小構造物（いわゆるマイクロマシン）であり、好適には他の素子と同一のパッケージ内に形成されるものであり、より好適にはＳｉＰ(System in Package) で同梱実装されたり、ＳｏＣの一部として混載されるものである。
【００１８】
このスイッチング素子では、基板１０の表面に絶縁層１１が形成され、絶縁層１１上には支柱部１２，１３が形成されている。支柱部１２，１３の間には、支柱部１２，１３によって両端が支持された信号線路２０が延在している。この信号線路２０は絶縁層１１と所定の間隙を隔てた中空に配置されており、その一端が支柱部１２内に形成された導電部１４に接続され、その他端が支柱部１３内に形成された導電部１６に接続されている。導電部１４は支柱部１２の上面に形成された引出部１５に接続され、導電部１６は支柱部１３の上面に形成された引出部１７に接続されている。つまり、導電部１４，１６および引出部１５，１７は、基板１０から離れた場所から信号線路２０に信号を入出力することが可能な領域に形成されている。
【００１９】
ここで、基板１０は、主にスイッチング素子を構成する要素を支持するものであり、例えば、シリコン（Ｓｉ）、シリコン・カーバイト（ＳｉＣ）、シリコン・ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）およびシリコン・ゲルマニウム・カーボン（ＳｉＧｅＣ）などのＳｉ系基板や、ガラス、樹脂およびプラスチックなどの非Ｓｉ系基板により構成されている。絶縁層１１および支柱部１２は、信号線路２０および継断部３０（後述）を基板１０から電気的に分離するためのものであり、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）または窒化ケイ素（ＳｉＮ）などの絶縁性材料により構成されている。信号線路２０は、導電性材料または誘電体材料からなる平板により構成されている。導電部１４，１６および引出部１５，１７は、例えば、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）またはアルミニウム（Ａｌ）により構成されている。
【００２０】
上記した導電性材料は、ＳｉＰで同梱実装される場合は、例えば金（Ａｕ）またはＡｕを母材とした合金であることが好ましいが、ルテニウム（Ｒｕ），ロジウム（Ｒｈ），プラチナ（Ｐｔ）などの貴金属，またはこれらの酸化物を母材とした合金などのように、粘着性が低く、かつ硬度が高い材料であることがより好ましい。副成分としては、パラジウム（Ｐｄ），炭素（Ｃ），銀（Ａｇ），ルテニウム（Ｒｕ），インジウム（Ｉｎ）などが好ましい。一方、ＳｏＣの一部として混載する場合は、例えばアルミニウム（Ａｌ）または銅（Ｃｕ）であることが好ましいが、ＷＳｉ、ＴｉＳｉ、ＣｏＳｉ、ＮｉＳｉなどのシリサイドであることが好ましい場合もある。なお、継断部３０の固定部３１，３１および可動部３２をシリサイドにより形成する場合は、ＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor) と同様、自己整合的にシリサイド化するサイサイド技術を用いることが好ましい。
【００２１】
このように、導電性材料として粘着性が低く、かつ硬度が高い材料を用いた場合には、継断部３０の接触部分を容易に分離させることができるだけでなく、接触安定性を向上させることができる。なお、一般に、接触する部分の組成がそれぞれ異なる場合の方が、共に等しい場合と比べて粘着性がより低く、離着の安定性がより良いという性質があることから、継断部３０の固定部３１，３１および可動部３２のそれぞれの組成は、互いに相違することが好ましい。
【００２２】
また、信号線路２０の中途には、信号の伝送を切断するギャップＧが形成されており、そのギャップＧに対応して継断部３０（継断手段）が形成されている。この継断部３０は、ギャップＧの両端にそれぞれ接続されると共に互いに所定の間隙を有する固定部３１，３１と、これら固定部３１，３１と絶縁層１１との間に配置された可動部３２とを有している。固定部３１，３１および可動部３２は、信号線路２０と同様、導電性材料または誘電体材料からなる平板により構成されている。
【００２３】
ここで、図３（Ａ）に示したように、固定部３１，３１と可動部３２とが互いに接触していない場合には、信号線路２０は開放されており、オフ状態となっている。一方、図３（Ｂ）に示したように、固定部３１，３１と可動部３２とが互いに接触している場合には、信号線路２０が導通しており、オン状態となっている。つまり、継断部３０は、可動部３２を上下させることにより、信号線路２０を機械的に継断することができるようになっている。
【００２４】
スイッチング素子にはまた、継断部３０に隣接して切替部４０（切替手段）が形成されている。この切替部４０は固定部４１および可動部４２を有している。固定部４１は絶縁層１１の表面に配置されており、可動部４２は固定部４１と信号線路２０との間の中空に配置され、その一端が支持部４５に接続されている。この可動部４２は、保持部４３および応力発生部４４を固定部４１側からこの順に積層した構造を有している。支持部４５の一部は、支柱部１２内に配置されており、支柱部１２内に形成された導電部１８と接続されている。この導電部１８は支柱部１３の上面に形成された引出部１９に接続されている。
【００２５】
ここで、導電部１８および引出部１９は、上記した導電部１４，１６および引出部１５，１７と同様、例えばタングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）またはアルミニウム（Ａｌ）により構成されている。固定部４１、保持部４３および支持部４５は、導電性材料または誘電体材料からなり、例えば、導電性のポリシリコンからなる。応力発生部４４は、絶縁性材料、例えば、ＳｉＮからなり、固定部３１側に反り上げる応力を保持部４３に与え、応力発生部４４の一端に配置された可動部３２を固定部３１，３１に接触させるようになっている。また、応力発生部４４は、保持部４３と可動部３２とを互いに絶縁する役割も有している。
【００２６】
ところで、固定部４１および保持部４３は、互いに対向配置されているので、静電アクチュエータとして機能する。具体的には、固定部４１と保持部４３との間に電位差を発生させると、誘導電荷による静電力が応力発生部４４の応力とは反対向きに発生し、保持部４３が固定部４１側に引き寄せられ、保持部４３の一端に配置された可動部３２が固定部３１，３１から離間するようになっている。
【００２７】
すなわち、静電アクチュエータに電圧が印加されていない場合には、保持部４３は応力発生部４４の応力により固定部３１側に反り上げられ、可動部３２が固定部３１，３１と接触するので、信号線路２０が導通し、オン状態となる（図３（Ｂ））。逆に、静電アクチュエータに電圧が印加されている場合には、静電アクチュエータによる静電力が応力発生部４４の応力を上回り、保持部４３が静電力により固定部３１から離れる方向に変位して、可動部３２が固定部３１，３１から離間するので、信号線路２０が開放され、オフ状態となる（図３（Ａ））。
【００２８】
このような構成を有するスイッチング素子は、例えば次のようにして製造することができる。
【００２９】
まず、Ｓｉからなる基板１０上に、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Depositon）法により、ＳｉＯ2 およびＳｉＮをこの順に成膜することにより絶縁層１１を形成する（図４（Ａ））。続いて、例えばＣＶＤ法により、導電性のポリシリコンを成膜したのち、フォトリソグラフィ処理およびドライエッチング処理により、絶縁層１１の表面に固定部４１を形成する（図４（Ｂ））。なお、以下では、上記したフォトリソグラフィ処理およびドライエッチング処理によるパターニング処理を、単に「パターニング」と称する。続いて、例えばＨＤＰ法を使用して、ＳｉＯ2 を成膜したのち、パターニングにより、固定部４１を含む所定の表面に犠牲層Ｓ１を形成する（図４（Ｂ））。
【００３０】
次に、例えばＣＶＤ法により、導電性のポリシリコンを成膜したのち、パターニングにより、保持部４３および支持部４５を同時に形成する（図４（Ｃ））。次に、例えばＣＶＤ法により、ＳｉＮを成膜したのち、パターニングにより、保持部４３および支持部４５の表面に応力発生部４４を形成する（図５（Ａ））。
【００３１】
次に、例えばＣＶＤ法により、絶縁性のポリシリコンまたはアモルファスシリコンを成膜したのち、パターニングにより、支柱部１２Ａ，１３Ａを形成する（図５（Ｂ））。次に、上記と同様にして、応力発生部４４の一部分が露出する開口を有する犠牲層Ｓ２を形成する（図５（Ｃ））。
【００３２】
次に、例えばスパッタ法により、Ａｌ，Ｗ，シリサイド、もしくはＡｕ，Ｐｔ，Ｃｕをこの順に成膜して可動部３２Ａを形成したのち（図６（Ａ））、パターニングにより、応力発生部４４の表面に可動部３２を形成する（図６（Ｂ））。その後、上記と同様にして、ＳｉＯ2 を犠牲層Ｓ２の穴に埋め込んで犠牲層Ｓ３を形成する（図６（Ｃ））。
【００３３】
次に、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing:化学的機械的研磨）法により、犠牲層Ｓ３および支柱部１２Ａ，１３Ａの表面全体を平坦化して、犠牲層Ｓ４を形成する（図７（Ａ））。次に、上記と同様にして、Ａｌ，Ｗ，シリサイド、もしくはＡｕ，Ｐｔ，Ｃｕをこの順に積層してなる信号線路２０および固定部３１，３１を同時に形成する（図７（Ｂ））。
【００３４】
次に、上記と同様にして、絶縁性のポリシリコンまたはアモルファスシリコンを支柱部１２Ａ，１３Ａ上に積み増して支柱部１２Ｂ，１３Ｂを形成する（図７（Ｃ））。次に、上記と同様にして、ＳｉＯ2 を支柱部１２Ｂ，１３Ｂの間隙に埋め込んで犠牲層Ｓ５を形成する（図８（Ａ））。
【００３５】
次に、支柱部１２Ｂに信号線路２０まで貫通する孔を設け、さらに，支柱部１３Ｂに信号線路２０まで貫通する孔および支持部４５まで貫通する孔をそれぞれ設けたのち、それぞれの孔に、例えば、Ｗ、ＴｉまたはＡｌを埋め込むことにより、導電部１４，１６，１８をそれぞれ形成する（図８（Ｂ））。続いて、導電部１４，１６，１８上に、引出部１５，１７，１９をそれぞれ形成する（図８（Ｂ））。次に、表面全体にレジスト（図示せず）を成膜したのち、パターニングにより、所定の領域にレジスト層Ｒ１を形成したのち、ドライエッチング処理により、支柱部１２，１３を形成する（図８（Ｃ））。次に、レジスト層Ｒ１および犠牲層Ｓ５を除去する。これにより、本実施の形態のスイッチング素子が製造される。
【００３６】
次に、図３（Ａ），（Ｂ）を参照して、本実施の形態のスイッチング素子の作用について説明する。
【００３７】
本実施の形態のスイッチング素子は、オン状態およびオフ状態のツーステートを有している。まず、切替部４０に対して電力供給を開始すると、固定部４１と保持部４３との間に電位差が発生し、誘導電荷による静電力が応力発生部４４の応力とは反対向きに発生する。すると、保持部４３が固定部４１側に引き寄せられ、保持部４３の一端に配置された可動部３２が固定部３１，３１から離間するので、信号線路２０が開放され、オフ状態となる。逆に、切替部４０に対して電力供給を停止すると、誘導電荷による静電力が消滅する。すると、保持部４３は応力発生部４４の応力により固定部３１側に反り上げられ、可動部３２が固定部３１，３１と接触するので、信号線路２０が導通し、オン状態となる。  
【００３８】
すなわち、本実施の形態では、信号線路２０が導通し、オン状態となっているとき、信号線路２０および継断部３０は基板１０に接しておらず、基板１０上の中空に存在している。これにより、信号線路２０および継断部３０が基板１０上に配置されている場合や、オン状態のときに信号線路２０および継断部３０が基板１０に近接するような場合と比べて、信号線路２０および継断部３０と、基板１０との間の寄生容量を極めて小さくすることができる。このように、信号線路２０および継断部３０と、基板１０との間の寄生容量が極めて小さくなると、カットオフ周波数が極めて大きくなるので、周波数の極めて大きな信号を信号線路２０に流すことが可能となる。
【００３９】
また、本実施の形態では、信号線路２０に信号を入出力する導電部１４，１６および引出部１５，１７を、基板１０から離れた場所に形成するようにしたので、信号線路２０および継断部３０だけでなく、導電部１４，１６および引出部１５，１７と、基板１０との間の寄生容量も極めて小さくすることができる。
【００４０】
また、本実施の形態では、信号線路２０が導通し、オン状態となっているとき、切替部４０に対して電力供給を停止するようにしたので、切替部４０からのノイズが信号線路２０上を流れる信号に重畳される虞はない。
【００４１】
［実施例］
図９（Ａ），（Ｂ）は、第１の比較例に係るスイッチング素子の上面図およびＢ−Ｂ矢視方向の断面図であり、上記特許文献１に記載のスイッチング素子をモデル化したものである。図１０（Ａ），（Ｂ）は、第２の比較例に係るスイッチング素子の上面図およびＣ−Ｃ矢視方向の断面図であり、上記非特許文献１に記載のスイッチング素子をモデル化したものである。図１１（Ａ），（Ｂ）は、実施例に係るスイッチング素子の上面図およびＤ−Ｄ矢視方向の断面図であり、上記実施の形態のスイッチング素子をモデル化したものである。
【００４２】
第１の比較例では、長さ１２００μｍのＳｉからなる基板１００上に、厚さ２００ｎｍのＳｉＯ２層１０１Ａと、厚さ３００ｎｍのＳｉＮ層１０１Ｂをこの順に積層してなる絶縁層１０１を配置した。絶縁層１０１の表面には、長さ１２００μｍ、中央のギャップ幅１００μｍ、厚さ３００ｎｍの金属からなる信号線路１１０を配置し、さらに、長さ３００μｍ、厚さ１００ｎｍの金属からなる可動部１２２を信号線路１１０のギャップ上に配置し、ギャップ間を短絡させた。すなわち、信号線路１１０は導通し、オン状態となっている。
【００４３】
第２の比較例では、長さ１２００μｍのＳｉからなる基板２００上に、厚さ２００ｎｍのＳｉＯ２層２０１Ａと、厚さ３００ｎｍのＳｉＮ層２０１Ｂをこの順に積層してなる絶縁層２０１を配置した。絶縁層２０１の表面には、長さ３００μｍ、厚さ１００ｎｍの金属からなる可動部２２１を配置し、さらに、長さ１２００μｍ、中央のギャップ幅１００μｍ、厚さ３００ｎｍの金属からなる信号線路２１０を可動部２２１上に配置し、ギャップ間を短絡させた。すなわち、信号線路２１０は導通し、オン状態となっている。
【００４４】
実施例では、長さ１２００μｍのＳｉからなる基板１０上に、厚さ２００ｎｍのＳｉＯ２層１１Ａと、厚さ３００ｎｍのＳｉＮ層１１Ｂをこの順に積層してなる絶縁層１１を配置した。絶縁層１１の表面から３００ｎｍ離れた中空に、長さ１２００μｍ、中央のギャップ幅１００μｍ、厚さ３００ｎｍの金属からなる信号線路２０を配置し、さらに、長さ３００μｍ、厚さ１００ｎｍの金属からなる可動部３２を信号線路１１０のギャップの基板１０側に配置し、ギャップ間を短絡させた。すなわち、信号線路２０は導通し、オン状態となっている。
【００４５】
このように、それぞれをオン状態とした上で、それぞれの寄生容量（対地容量）と、カットオフ周波数を数値計算によって求めた。その結果を表１に表す。
【００４６】
表１から、本実施例の寄生容量は、０．３ｐＦであり、第１の比較例の値（１０．２ｐＦ）の３０分の１よりも小さく、第２の比較例の値（３．４ｐＦ）の１０分の１よりも小さいことがわかる。また、本実施例のカットオフ周波数は、１１２３ＧＨｚであり、第１の比較例の値（３１ＧＨｚ）の３６倍よりも大きく、第２の比較例の値（９４ＧＨｚ）の１１倍よりも大きいことがわかる。このように、本実施例は、第１および第２の比較例と比べて、寄生容量およびカットオフ周波数の双方において極めて優れていることがわかる。
【００４７】
【表１】
2008021532.tif 000003
【００４８】
［変形例］
上記実施の形態では、静電アクチュエータとしての機能を有する切替部４０を用いていたが、他の機能を有する切替部を用いても、上記実施の形態と同様の効果を奏することが可能である。例えば、固定部４１を薄膜コイルにより構成し、かつ保持部４３のうち固定部４１と対応する領域を導電性材料からなる平板により構成した電磁アクチュエータを用いることが可能である。この電磁アクチュエータでは、薄膜コイルから発生する磁界と、平板に流れる電流とにより誘起される電磁力を利用して、応力発生部４４の応力とは反対向きの電磁力を保持部４３に与えることにより、可動部３２を固定部３１，３１から離間させることができる。ここで、電磁アクチュエータは、電磁駆動であり、低電圧で保持部４３を大きくストロークさせることができるので、固定部４１と保持部４３との間隙が広い（例えば数百μｍ程度）場合であっても保持部４３を固定部４１の表面まで引き寄せることができる。
【００４９】
また、図１２に示したように、固定部４１をなくし、さらに保持部４３の代わりに、互いに異なる熱膨張係数を有する第１膨張層４６Ａおよび第２膨張層４６Ｂを積層させてなる熱アクチュエータ（保持部４６）を用いることも可能である。これにより、保持部４６に熱エネルギーが供給されることにより生じる歪みを利用して、保持部４６に応力発生部４４の応力とは反対向きの歪を与えることにより、可動部３２を固定部３１，３１から離間させることができ、また、低電圧で保持部４６を大きくストロークさせることができる。
【００５０】
また、図１３に示したように、固定部４１をなくし、さらに保持部４３の代わりに、圧電体からなる圧電アクチュエータ（保持部４７）を用いることも可能である。これにより、保持部４７に電圧が印加されることにより生じる歪み（圧電効果）を利用して、保持部４７に応力発生部４４の応力とは反対向きの歪を与えることにより、可動部３２を固定部３１，３１から離間させることができ、また、低電圧で保持部４７を大きくストロークさせることができる。
【００５１】
また、上記実施の形態では、機械的なスイッチの接点の方式としてシリーズ方式を用いていたが、他の方式、例えば、シャント方式であってもよい。なお、シャント方式とした場合には、図３（Ａ）に示したような固定部３１，３１の間のギャップＧはなく、固定部３１，３１同士が互いに電気的に接続されており、さらに、可動部３２が保持部４３を介してグラウンドに短絡されている。従って、シャント方式では、可動部３２を固定部３１，３１から離間させると、信号線路２０は導通し、オン状態となるが、可動部３２を固定部３１，３１に接触させると、信号線路２０が保持部４３を介してグラウンドに短絡され、オフ状態となる。
【００５２】
また、上記実施の形態では、保持部４３および応力発生部４４を基板１０側から順に積層すると共に、固定部４１を可動部４２の下側に配置するようにしていたが、これとは逆に、図１４（Ａ），（Ｂ）に示したように、応力発生部４４および保持部４３を基板１０側から順に積層すると共に、固定部４１を可動部４２の上側に配置するようにしてもよい。この場合には、応力発生部４４は、基板１０側に垂れ下がる応力を保持部４３に与えるので、駆動信号が切替部４０に印加されていない間は、図１４（Ａ）に示したように、その一端に配置された可動部３２を固定部３１，３１から乖離させることができる。一方、駆動信号が切替部４０に印加されている間は、応力発生部４４の応力とは反対向きの静電力を保持部４３に与えることができるので、図１４（Ｂ）に示したように、可動部３２を固定部３１，３１に接触させることができる。ただし、可動部３２および保持部４３は共に導電性を有しているので、これらを互いに絶縁分離するために、可動部３２と保持部４３との間に絶縁材料からなる絶縁層４６を設けておくことが必要となる。
【００５３】
また、切替部４０として電磁アクチュエータを用いた場合には、切替部４０として静電アクチュエータを用いた場合に応力発生部４４および保持部４３を固定部４１側から順に積層したときと同様に、応力発生部４４の応力とは反対向きの電磁力を保持部４３に与えることにより、可動部３２を固定部３１，３１に接触させることが可能である。また、切替部４０として熱アクチュエータを用いた場合にも、応力発生部４４の応力とは反対向きの歪を保持部４６に与えることにより、可動部３２を固定部３１，３１に接触させることが可能である。また、切替部４０として圧電アクチュエータを用いた場合にも、応力発生部４４の応力とは反対向きの歪を保持部４７に与えることにより、可動部３２を固定部３１，３１に接触させることが可能である。
【００５４】
［適用例］
次に、図１５を参照して、上記実施の形態またはその変形例に係るスイッチング素子を搭載した通信装置の構成について説明する。図１５は、電子機器としての通信装置のブロック構成を表している。なお、本スイッチング素子を搭載した半導体デバイスおよびモジュールは、上記通信装置により具現化されるので、以下、合わせて説明する。
【００５５】
図１５に示した通信装置は、上記実施の形態またはその変形例において説明したスイッチング素子を送受信切替器３０１（半導体デバイス）として搭載したものであり、例えば、携帯電話器、情報携帯端末（ＰＤＡ）、無線ＬＡＮ機器などである。なお、上記送受信切替器３０１は、ＳｏＣからなる半導体デバイス内に形成されている。この通信装置は、例えば、図１５に示したように、送信系回路３００Ａ（モジュール）と、受信系回路３００Ｂ（モジュール）と、送受信経路を切り替える送受信切換器３０１と、高周波フィルタ３０２と、送受信用のアンテナ３０３とを備えている。
【００５６】
送信系回路３００Ａは、Ｉチャンネルの送信データおよびＱチャンネルの送信データに対応した２つのデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ；Digital/Analogue Converter）３１１Ｉ，３１１Ｑおよび２つのバンドパスフィルタ３１２Ｉ，３１２Ｑと、変調器３２０および送信用ＰＬＬ（Phase-Locked Loop ）回路３１３と、電力増幅器３１４とを備えている。この変調器３２０は、上記した２つのバンドパスフィルタ３１２Ｉ，３１２Ｑに対応した２つのバッファアンプ３２１Ｉ，３２１Ｑおよび２つのミキサ３２２Ｉ，３２２Ｑと、移相器３２３と、加算器３２４と、バッファアンプ３２５とを含んで構成されている。
【００５７】
受信系回路３００Ｂは、高周波部３３０、バンドパスフィルタ３４１およびチャンネル選択用ＰＬＬ回路３４２と、中間周波回路３５０およびバンドパスフィルタ３４３と、復調器３６０および中間周波用ＰＬＬ回路３４４と、Ｉチャンネルの受信データおよびＱチャンネルの受信データに対応した２つのバンドパスフィルタ３４５Ｉ，３４５Ｑおよび２つのアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ；Analogue/Digital Converter）３４６Ｉ，３４６Ｑとを備えている。高周波部３３０は、低ノイズアンプ３３１と、バッファアンプ３３２，３３４と、ミキサ３３３とを含んで構成されており、中間周波回路３５０は、バッファアンプ３５１，３５３と、自動ゲイン調整（ＡＧＣ；Auto Gain Controller）回路３５２とを含んで構成されている。復調器３６０は、バッファアンプ３６１と、上記した２つのバンドパスフィルタ３４５Ｉ，３４５Ｑに対応した２つのミキサ３６２Ｉ，３６２Ｑおよび２つのバッファアンプ３６３Ｉ，３６３Ｑと、移相器３６４とを含んで構成されている。
【００５８】
この通信装置では、送信系回路３００ＡにＩチャンネルの送信データおよびＱチャンネルの送信データが入力されると、それぞれの送信データを以下の手順で処理する。すなわち、まず、ＤＡＣ３１１Ｉ、３１１Ｑにおいてアナログ信号に変換し、引き続きバンドパスフィルタ３１２Ｉ，３１２Ｑにおいて送信信号の帯域以外の信号成分を除去したのち、変調器３２０に供給する。続いて、変調器３２０において、バッファアンプ３２１Ｉ，３２１Ｑを介してミキサ３２２Ｉ，３２２Ｑに供給し、引き続き送信用ＰＬＬ回路３１３から供給される送信周波数に対応した周波数信号を混合して変調したのち、両混合信号を加算器３２４において加算することにより１系統の送信信号とする。この際、ミキサ３２２Ｉに供給する周波数信号に関しては、移相器３２３において信号移相を９０°シフトさせることにより、Ｉチャンネルの信号とＱチャンネルの信号とが互いに直交変調されるようにする。最後に、バッファアンプ３２５を介して電力増幅器３１４に供給することにより、所定の送信電力となるように増幅する。この電力増幅器３１４において増幅された信号は、送受信切換器３０１および高周波フィルタ３０２を介してアンテナ３０３に供給されることにより、そのアンテナ３０３を介して無線送信される。この高周波フィルタ３０２は、通信装置において送信または受信する信号のうちの周波数帯域以外の信号成分を除去するバンドパスフィルタとして機能する。
【００５９】
一方、アンテナ３０３から高周波フィルタ３０２および送受信切換器３０１を介して受信系回路３００Ｂに信号が受信されると、その信号を以下の手順で処理する。すなわち、まず、高周波部３３０において、受信信号を低ノイズアンプ３３１で増幅し、引き続きバンドパスフィルタ３４１で受信周波数帯域以外の信号成分を除去したのち、バッファアンプ３３２を介してミキサ３３３に供給する。続いて、チャンネル選択用ＰＰＬ回路３４２から供給される周波数信号を混合し、所定の送信チャンネルの信号を中間周波信号とすることにより、バッファアンプ３３４を介して中間周波回路３５０に供給する。続いて、中間周波回路３５０において、バッファアンプ３５１を介してバンドパスフィルタ３４３に供給することにより中間周波信号の帯域以外の信号成分を除去し、引き続きＡＧＣ回路３５２でほぼ一定のゲイン信号としたのち、バッファアンプ３５３を介して復調器３６０に供給する。続いて、復調器３６０において、バッファアンプ３６１を介してミキサ３６２Ｉ，３６２Ｑに供給したのち、中間周波用ＰＰＬ回路３４４から供給される周波数信号を混合し、Ｉチャンネルの信号成分とＱチャンネルの信号成分とを復調する。この際、ミキサ３６２Ｉに供給する周波数信号に関しては、移相器３６４において信号移相を９０°シフトさせることにより、互いに直交変調されたＩチャンネルの信号成分とＱチャンネルの信号成分とを復調する。最後に、Ｉチャンネルの信号およびＱチャンネルの信号をそれぞれバンドパスフィルタ３４５Ｉ，３４５Ｑに供給することによりＩチャンネルの信号およびＱチャンネルの信号以外の信号成分を除去したのち、ＡＤＣ３４６Ｉ，３４６Ｑに供給してデジタルデータとする。これにより、Ｉチャンネルの受信データおよびＱチャンネルの受信データが得られる。
【００６０】
この通信装置は、上記実施の形態またはその変形例に係るスイッチング素子を受信切替器３０１として搭載しているため、上記実施の形態またはその変形例において説明した作用により、寄生容量およびカットオフ周波数の双方において極めて優れている。
【００６１】
また、上記実施の形態またはその変形例と同様、低電圧・低消費電力系の素子と一体的に形成することが可能な程度の低電圧・低消費電力で可動素子を駆動させることが可能である。その結果、低電圧動作・低消費電力化が常識となっている移動通信端末装置の技術分野においても実用に耐えることができる。
【００６２】
なお、図１５に示した通信装置では、上記実施の形態またはその変形例に係るスイッチング素子を受信切替器３０１（半導体デバイス）に適用する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えば、スイッチング素子を送信系回路３００Ａおよび受信系回路３００Ｂ（モジュール）内のミキサ３３２Ｉ，３３２Ｑ，３３３，３６２Ｉ，３６２Ｑや、バンドパスフィルタ３１２Ｉ，３１２Ｑ，３４１，３４３，３４６Ｉ，３４６Ｑ、または、高周波フィルタ３０２（半導体デバイス）に適用してもよい。この場合においても、上記と同様の効果を得ることができる
【００６３】
以上、実施の形態およびその変形例を挙げて本発明のスイッチング素子について説明したが、本発明は上記実施の形態またはその変形例に限定されるものではなく、本発明の可動素子の構成やその製造方法に関する手順などは、上記実施の形態またはその変形例と同様の効果を得ることが可能な限りにおいて自由に変形可能である。
【００６４】
また、上記実施の形態またはその変形例では、本発明の可動素子を携帯電話機などの通信装置に代表される電子機器に適用する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、通信装置以外の電子機器に適用することも可能である。これらのいずれの場合においても、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の一実施の形態に係るスイッチング素子の機能ブロック図である。
【図２】スイッチング素子の平面構成図である。
【図３】スイッチング素子のオン状態およびオフ状態における断面構成図である。
【図４】スイッチング素子の製造工程を説明するための断面構成図である。
【図５】図４に続く行程を説明するための断面構成図である。
【図６】図５に続く行程を説明するための断面構成図である。
【図７】図６に続く行程を説明するための断面構成図である。
【図８】図７に続く行程を説明するための断面構成図である。
【図９】図１のスイッチング素子をモデル化したものの平面構成図および断面構成図である。
【図１０】第１の比較例に係るスイッチング素子をモデル化したものの平面構成図および断面構成図である。
【図１１】第２の比較例に係るスイッチング素子をモデル化したものの平面構成図および断面構成図である。
【図１２】一変形例に係るスイッチング素子の断面構成図である。
【図１３】他の変形例に係るスイッチング素子の断面構成図である。
【図１４】その他の変形例に係るスイッチング素子の断面構成図である。
【図１５】スイッチング素子の適用例に係る電子機器の機能ブロック図である。
【図１６】従来のスイッチング素子の一例の平面構成図である。
【図１７】図１６のスイッチング素子のオン状態およびオフ状態における断面構成図である。
【図１８】従来のスイッチング素子の他の例の平面構成図である。
【図１９】図１８のスイッチング素子のオン状態およびオフ状態における断面構成図である。
【符号の説明】
【００６６】
１０…基板、１１…絶縁層、１２，１２Ａ，１２Ｂ，１３，１３Ａ，１３Ｂ…支柱部、１４，１６，１８…導電部、１５，１７，１９…引出部、２０…信号線路、３０…継断部、３１，４１…固定部、３２，３２Ａ，４２…可動部、４０…切替部、４３，４６，４７…保持部、４４…応力発生部、４５…支持部、４６Ａ…第１膨張層，４６Ｂ…第２膨張層、Ｇ…ギャップ、Ｒ１…レジスト層、Ｓ１〜Ｓ５…犠牲層
【図１】
2008021532.tif 000004
【図２】
2008021532.tif 000005
【図３】
2008021532.tif 000006
【図４】
2008021532.tif 000007
【図５】
2008021532.tif 000008
【図６】
2008021532.tif 000009
【図７】
2008021532.tif 000010
【図８】
2008021532.tif 000011
【図９】
2008021532.tif 000012
【図１０】
2008021532.tif 000013
【図１１】
2008021532.tif 000014
【図１２】
2008021532.tif 000015
【図１３】
2008021532.tif 000016
【図１４】
2008021532.tif 000017
【図１５】
2008021532.tif 000018
【図１６】
2008021532.tif 000019
【図１７】
2008021532.tif 000020
【図１８】
2008021532.tif 000021
【図１９】
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