(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の部材と、前記第１の部材に対して接触・非接触を繰り返す第２の部材とを含む微小電気機械素子であって、
前記第１の部材と前記第２の部材との接触界面が、前記第１の部材と前記第２の部材とが直接的に当接する第１の領域と、前記第１の部材と前記第２の部材との間に疎水性層が介在する第２の領域とを含み、
前記疎水性層は、前記第２の領域における前記第１部材の表面または前記第２の部材の表面のいずれか一方に配置され、
前記疎水性層の厚みは、前記第１の領域において前記第１の部材と前記第２の部材とが直接当接したときの前記第２の領域における前記第１の部材と前記第２の部材との間の距離に実質的に等しい、
微小電気機械素子。
【請求項２】
請求項１に記載の微小電気機械素子であって、
前記第１の部材または前記第２の部材のいずれか一方の表面に突起部を有し、
前記疎水性層は、前記突起部の表面に形成されており、
前記突起部の先端が、前記第１の部材と前記第２の部材との接触界面における前記第２の領域となる、
微小電気機械素子。
【請求項３】
請求項２に記載の微小電気機械素子であって、
前記突起部の高さｄは、次式を満たすｄｃａｐよりも大きくなるように決定される微小電気機械素子。
【数１】
0004820816.tif 000005
θは接触角、γlaは液体と気体界面の表面エネルギー、vはモル体積、Rは気体定数、Tは温度、RHは相対湿度
【請求項４】
請求項１に記載の微小電気機械素子であって、
前記第１の部材の前記第２の領域には凹部が形成され、
前記第２の部材の前記第２の領域の表面には前記疎水性層が形成されている、
微小電気機械素子。
【請求項５】
請求項４に記載の微小電気機械素子であって、
前記第２の部材は平板状である、
微小電気機械素子。
【請求項６】
請求項１に記載の微小電気機械素子であって、
前記第２の領域を複数有する、
微小電気機械素子。
【請求項７】
請求項６に記載の微小電気機械素子であって、
前記第２の領域は、周囲を前記第１の領域で囲まれている、
微小電気機械素子。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の微小電気機械素子であって、
前記第２の領域は、高周波信号の伝搬する領域を避けて配設された微小電気機械素子。
【請求項９】
請求項８に記載の微小電気機械素子であって、
前記第１の部材または前記第２の部材は、両側をグランド配線に囲まれて形成されるコプレナー構造の配線を構成するものであり、
前記第２の領域は、前記表面構造上の高周波信号の表皮深さに相当する幅を両側に残して形成された微小電気機械素子。
【請求項１０】
請求項１に記載の微小電気機械素子であって、
前記疎水性層は、前記第１の領域を構成する第１の材料の表面に形成された単分子膜で構成された微小電気機械素子。
【請求項１１】
請求項１０に記載の微小電気機械素子であって、
前記単分子膜は、シラン系化合物で構成された微小電気機械素子。
【請求項１２】
請求項１に記載の微小電気機械素子であって、
前記第１および第２の部材は、金属、または絶縁体、または半導体のいずれかを含むように構成された微小電気機械素子。
【請求項１３】
請求項１２に記載の微小電気機械素子であって、
前記金属は、アルミニウム、金、タングステンのいずれかで構成された微小電気機械素子。
【請求項１４】
請求項１２に記載の微小電気機械素子であって、
前記絶縁体は、酸化アルミ二ウム、窒化シリコン、酸化シリコン、Pb(Zr,Ti)O3（PZT）、(Ba,Sr)TiO3（BST）、SrTiO3（STO）、HfO2、AlNのいずれかで構成された微小電気機械素子。
【請求項１５】
請求項１２に記載の微小電気機械素子であって、
前記半導体は、シリコン、ガリウム砒素のいずれかで構成された微小電気機械素子。
【請求項１６】
基板表面に形成された固定電極と、
前記固定電極に対し、接触可能に形成された可動電極とを備えた電機機械スイッチであって、
前記固定電極および可動電極の相対向する領域の少なくとも一部が、請求項１乃至１５のいずれか１項の微小電気機械素子で構成された電気機械スイッチ。
【請求項１７】
請求項１に記載の微小電気機械素子であって、
前記第１の部材の前記第２の領域には凹部が形成され、
前記第１の部材の前記凹部には前記疎水性層が形成されている、
微小電気機械素子。
【請求項１８】
請求項１７に記載の微小電気機械素子であって、
前記第２の部材は平板状である、
微小電気機械素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小電気機械素子およびこれを用いた電気機械スイッチにかかり、特に単分子膜を有する疎水性表面構造の機械的・電気的耐久性の向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線端末などの情報通信機器の普及が進む中、通信に使用される周波数は、携帯電話等の数百MHzから無線LAN等の数GHz帯へと広帯域化が加速している。現在は、各種通信方式に対応した端末を独立して使用している状況であるが、将来的には一つの無線端末で各種通信方式に対応した小型端末の実現が望まれている。端末の筐体内に内蔵されるスイッチなどの受動部品数の増加が予想される中、受動部品の小型化が望まれている。
【０００３】
その中で、MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）技術により作製される高周波用電気機械（RF-MEMS：Radio Frequency MEMS）スイッチの研究開発が活発になっている。電気機械スイッチは、微小な可動電極を動かし機械的に信号の伝播経路を切り替えるスイッチである。その利点は、超低損失、高アイソレーションといった高周波特性が優れていることである。また、RF-ICと親和性の良いプロセスで製造可能であるため、スイッチをRF-ICに内蔵することも可能であり、無線部の小型化に大きく貢献する技術として期待されている。
【０００４】
従来の電気機械スイッチとしては、特許文献１に記載されているものが知られている。メンブレン（membrane）状や棒状の可動電極を両持ちや片持ちにし、それらを電極へ接触させたり離したりすることにより、信号の伝搬経路を切り替える機械スイッチである。メンブレンや可動体の駆動力源としては、静電気力を用いたものが多い。
【０００５】
電気機械スイッチの高速応答・低駆動電圧化を実現する手段として、特許文献２に記載の技術により同発明者より開示されている。図１４は、高速応答・低電圧駆動電気機械スイッチの構成を示す斜視図である。可動電極１０３の両側に櫛歯電極が設けられている。図１５（ａ）は、図１４におけるＡ−Ａ’断面図、図１５（ｂ）は、図１４におけるＢ−Ｂ’断面図である。可動電極１０３を下方駆動させる場合は、可動電極１０３と固定電極の間に電圧を印加し、静電力により駆動させる。また、可動電極１０３を上方へ駆動させる場合は、可動電極１０２と固定櫛歯電極間に電圧を印加し、静電力を斜め上に加える。上方への駆動において静電力の印加が可能であるため、バネ力のみで駆動する場合と比較してバネ力を小さくすることが可能であり、ON/OFF時の高速化をはかることが可能となる。
【０００６】
このように、構造体同士の機械的接触を行うMEMSデバイスにおいては、接触界面の吸着により誤作動や故障が発生する現象（スティクション）が問題となっている。スティクションの発生原因としては、湿度、層間絶縁膜のチャージングなどによる接触表面間の引力相互作用が考えられているが、その中でも湿度による引力が大きいことがわかっている。
【０００７】
図１６は、メニスカスの構造を示す図であり、（ａ）は電極表面が親水性の場合を示す断面図、（ｂ）は電極表面が疎水性の場合を示す図である。図１６に示すように対向する電極が接触した場合に、雰囲気中に存在する液滴（水など）が毛細管現象により接触界面に凝縮し、液架橋構造（メニスカス）を形成する。このメニスカスが存在し得る電極間距離dcapは、非特許文献２に記載されており、液滴のケルビン半径rKを用いて以下の（式１）のように表わすことができる。
【０００８】
【数１】
0004820816.tif 000002
【０００９】
θは接触角、γlaは液体と気体界面の表面エネルギー、vはモル体積、Rは気体定数、Tは温度、RHは相対湿度である。電極間距離がdcapより離れるとメニスカスは形成されない。液体が水の場合、dcapの大きさは室温（２7℃）においてRH１0%で0.5nm、RH90%で１0nmである。
【００１０】
図１６（ａ）に示すように電極表面が親水性の場合、メニスカスの固体表面に対する接触角θが90°より小さい値となり、メニスカス表面の湾曲構造の曲率半径rが正の値となる。この場合、メニスカスによる電極間に働く力はラプラス圧力が支配的であり、上記非特許文献２から以下の（式２）のように表わすことができる。
【００１１】
【数２】
0004820816.tif 000003
【００１２】
Δpは液体と気体間の圧力差、Aはメニスカスと固体表面との接触面積である。（式２）より、固体表面が親水性でメニスカスの曲率半径が正の場合、ラプラス圧力は正の値となり電極間には引力が働くことになる。この力がMEMSデバイスの可動体を吸着するスティクションの原因となる。メニスカスが発生させる力（キャピラリーフォース）には、表面張力とラプラス圧力があるが、ラプラス圧力の値の方が大きく支配的である。
【００１３】
一方、図１６（ｂ）に示すように電極表面が疎水性の場合、メニスカスの固体表面に対する接触角θ'が90°以上の値となり、メニスカス表面の湾曲構造の曲率半径rが負の値となる。この場合（式２）より、ラプラス圧力は負の値となり電極間には斥力が働くことになる。電極表面を疎水性にし、電極間に斥力が働く疎水性電極構造が実現できれば、MEMSデバイスにおけるスティクションの発生を回避することが可能となる。
【００１４】
疎水性の表面は、電極表面を表面エネルギーの低い材料で形成することによって得ることができる。低表面エネルギー材料として、自己組織化単分子膜（SAM：Self-Assembled Monolayer）が用いられており、電極表面にディッピング法やコーティング法などの低温で簡易な方法で形成可能である。
【００１５】
図１７は、（特許文献１）に示される従来の単分子膜形成後の電極面構造を示す図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）は１７図（ａ）における点線部を示す図である。図１７（ａ）に示すように、固定電極１１３上に単分子膜１１１が形成されている。単分子膜は、分子が自己組織化により電極表面上に整列し、膜厚が単一分子の長さとなっている。単分子膜表面は表面エネルギーが低く、液滴１１５の接触角が90°以上の疎水性表面となる。このような電極表面に可動電極１１４が接触した場合、ラプラス圧力は斥力となって電極間を離す方向へと作用する。
単分子膜の材料としては（特許文献１）に開示されているように、ODS（Octadecyltrichlorosilane）などのシラン系材料が用いられるが、その化学的構造は図１７（ｂ）に示す直鎖型の分子構造となる。このような単分子膜においては最表面となる-CH3基が低表面エネルギーとなる。
【００１６】
【特許文献１】DE-１0355038-A１
【特許文献２】特開２004−２53365号公報
【非特許文献１】J. B. Muldavin and G. M. Rebeiz, IEEE Microwave Wireless Compon. Lett., vol. １１, pp. 334-336, Aug. ２00１.
【非特許文献２】J. N. Israelachvili, “Intermolecular and surface forces”, Academic Press Limited, １985.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかし、従来の疎水性電極構造では、図１７（ａ）に示すように固定電極１１３の最表面材料が単分子膜１１１のみであり、可動電極１１４による圧力が直接単分子膜１１１に印加される構造となっているため、単分子膜１１１の機械的強度が劣化するという課題がある。図１７（ｂ）に示すように、単分子膜の１つの分子に着目すると、可動電極１１４の圧力が単分子膜１１１に加わり、弾性変形の範囲で伸縮する。弾性限界を超える力が加わると、塑性変形により直鎖型の構造が破壊されることとなる。
【００１８】
更に、従来の疎水性電極構造を高周波デバイスに適用する場合、電極表面全体に単分子膜が形成されているため、高周波信号の伝搬経路にも単分子膜が形成されていることになる。この場合、単分子膜による誘電体損が発生し、高周波信号の挿入損失が増大するという課題がある。また、高周波信号によって発生する電界中に単分子膜が曝されるため、単分子膜の耐電圧に相当する電界強度より大きな電界が加わると、単分子膜が電気的に損傷を受けることになる。特に、高周波電磁界中では、単分子膜は継続的に高周波の電磁界変化を受けることになり、機械的強度の劣化や疎水性の劣化が発生するという問題がある。      
【００１９】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、長寿命で信頼性の高い疎水性表面構造を持つ電気機械素子およびこれを用いた電気機械スイッチを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
そこで本発明では、第１の部材と、前記第１の部材に対して接触・非接触を繰り返す第２の部材とを含む微小電気機械素子であって、前記第１の部材と前記第２の部材との接触界面が、前記第１の部材と前記第２の部材とが直接的に当接する第１の領域と、前記第１の部材と前記第２の部材との間に疎水性層が介在する第２の領域とを含み、前記疎水性層は、前記第２の領域における前記第１部材の表面または前記第２の部材の表面のいずれか一方に配置され、前記疎水性層の厚みは、前記第１の領域において前記第１の部材と前記第２の部材とが直接当接したときの前記第２の領域における前記第１の部材と前記第２の部材との間の距離に実質的に等しくしている。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、本発明によれば、単分子膜の機械的・電気的耐久性を維持することが可能となり、長寿命の微小電気機械素子を提供することが可能となる。また、単分子膜による誘電体損の発生と挿入損失の増大を防止することが可能となり、低損失の疎水性電極を提供することができる。また、MEMSデイバスにおけるスティクションを回避可能となり、信頼性の高い電気機械スイッチが実現可能となる。
また、湿度の影響を受けない電極構造とすることが可能であり、高コストのパッケージング（真空パッケージの適用など）を必要としないため、低コストパッケージングによるMEMSデバイスの低コスト化が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
本実施の形態は、第１の部材としての固定電極１１３と、前記第１の部材に対して接触・非接触を繰り返す第２の部材としての可動電極１１４とで構成された微小電気機械スイッチであって、この固定電極１１３と可動電極１１４との接触界面が、固定電極１１３と可動電極１１４とが直接的に当接する第１の領域１００Ａと、固定電極１１３と可動電極１１４との間に疎水性層が介在する第２の領域１００Ｂとを含むものである。ここでは固定電極１１３の表面構造を電極材料（第１の領域１００Ａ）と疎水性の単分子膜（第２の領域１００Ｂ）との複合表面構造とし、それぞれの材料の高さを均一化することにより、可動電極１１４による疎水性の単分子膜１１１の物理的圧縮を回避することに特徴がある。
【００２３】
図１は、本発明の実施の形態１における疎水性電極構造をもつ固定電極を用いた電気機械スイッチの要部を示す図であり、（ａ）は、この疎水性電極構造の電気機械スイッチの構成を示す断面図、（ｂ）は、この疎水性電極構造の電気機械スイッチの構成を示す斜視図である。図１（ｂ）に示す電気機械スイッチとしての構成をみると、固定電極１１３に高周波信号の入力ポートRF INが接続されており、可動電極１１４に高周波信号の出力ポートRF OUTが接続されている。この構成の場合、固定電極１１３と可動電極１１４が離れている場合には信号は遮断され、電極間が接触した場合には信号が通過する。固定電極１１３の表面には単分子膜１１１が形成されており、スティクションを回避する疎水性電極となっている。しかし、従来技術とは違い疎水性単分子膜のみが最表面材料となっておらず、最適化した領域にのみ単分子膜１１１が形成されている。なおここでは、シラン系化合物の単分子膜１１１を用いている。
【００２４】
図１（ａ）は、図１（ｂ）におけるＡ−Ｂ断面を示している。固定電極１１３の表面に固定電極１１３と同一の電極材料で形成された凸部１１２が設けられており、単分子膜１１１は凸部１１２の間の凹部に形成されている。すなわち、凸部１１２が可動電極１１４の表面と直接的に接触する第１の領域１００Ａを構成し、凹部が単分子膜１１１を介して可動電極に接触する第２の領域１００Ｂを構成している。このように凹部に単分子膜１１１を形成した構造とすることで、可動電極１１４が物理的に固定電極１１３と接触した場合、可動電極１１４は凸部１１２と接触し、単分子膜に物理的圧縮を加えることはない。
【００２５】
このように、可動電極１１４が物理的に固定電極１１３と接触した場合、可動電極１１４はこの固定電極と同一材料で形成された凸部１１２と接触し、単分子膜に物理的圧縮を加えることのない構成にすることにより、単分子膜の機械的強度の劣化を防ぐことができ、信頼性の高い疎水性電極構造を得ることが可能となる。
【００２６】
機械的強度を保ちかつ疎水性による斥力の効果を得るためには、固定電極１１３と可動電極１１４の接触界面が、固定電極１１３と同一の電極材料で構成される凸部１１２と単分子膜１１１との複合表面構造とする必要がある。そのためには、凸部１１２と単分子膜１１１の高さが面全体にわたって均一で等しくなるようにすることが望ましい。つまり、凸部１１２による電極の凸構造の高さは単分子膜１１１を形成する分子鎖の長さ程度である。
【００２７】
なお、電気機械スイッチが抵抗結合型の場合、固定電極１１３の最表面材料は金属などの導電性材料であり、容量結合型の場合、絶縁体（誘電体）である。
このような疎水性電極構造をとることにより、可動電極１１４の固定電極１１３とが高速で接触・非接触を繰り返すような場合にも、機械的破損はなくかつ電気的接続も良好に維持することが可能である。
【００２８】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における疎水性電極構造をもつ電気機械スイッチを示す図であり、（ａ）は、この疎水性電極構造をもつ電気機械スイッチの構成を示す断面図、（ｂ）は、この電気機械スイッチの固定電極１１３の疎水性電極構造の構成を示す上面図である。以後上面図は、図１（ｂ）に示すＳ面に平行な面に対する上面図を示すものとする。図２（ａ）は、図１（ｂ）におけるＣ−Ｄ断面を示している。可動電極１１２と固定電極１１３の接触時には、可動電極１１２が凸構造間で、破線で示すように架橋される形となる。固定電極１１３上の電極材料１１２による凸構造の間隔が長い場合、可動電極１１２が下方に湾曲する形でたわみ、凹部に形成した単分子膜１１１を圧縮する可能性がある。
【００２９】
この現象を避けるためには、凸部の数を増やし凸部の間隔を短くすればよい。凸部の数を増やすことにより、凸部間に張架された可動電極１１４の長さが短くなるため、バネ力（復元力）が大きくなるためである。少なくとも電気機械スイッチの駆動電圧でたわまない程度のバネ力となるよう、凸部の間隔を設定すればよい。図２では、凹部を２等分に分割するよう電極材料による凸部１１２を形成している。可動電極１１４の幅方向では凸部１１２と接触していないと仮定した場合、凸部間に架橋される可動電極１１２の長さは約１/２となるため、バネ乗数は8倍、プルイン電圧は２.８倍となる。例えば、可動電極１１４が、長さ500μm、プル電圧5V、駆動電圧１0Vとすると、接触後長さ約250μm、プルイン電圧14Vとなり、駆動電圧１0Vでプルインすることは最低限避けられる。
【００３０】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３の電気機械スイッチについて説明する。
たわみが生じないようバネ力を最適化するためには、凸部１１２による単分子膜の分割形状を変えることが可能である。図３は、本発明の実施の形態３における疎水性電極構造の電気機械スイッチを示す図であり、（ａ）は、この疎水性電極構造の電気機械スイッチの構成を示す断面図、（ｂ）は、この疎水性電極構造の固定電極１１３の構成を示す上面図である。この場合は、単分子膜１１１の形成される第２の領域１００Ｂを長手方向に３分割した例である。
かかる構成によれば、より長寿命で信頼性の高い電気機械スイッチを提供することが可能となる。
【００３１】
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４について説明する。
図４は、本発明の実施の形態３における疎水性電極構造の電気機械スイッチの変形例を示す図であり、（ａ）は、この疎水性電極構造の電気機械スイッチの固定電極の一構成を示す上面図、（ｂ）は、この疎水性電極構造の固定電極表面の固定電極の他の構成を示す上面図である。この場合は、固定電極の幅方向にも２分割した場合の例であり、（ａ）では長さ方向に２分割、（ｂ）では長さ方向に３分割した場合を示す。このように幅方向にも２分割することにより、可動電極１１４の幅方向におけるたわみの発生を回避することが可能である。
以上のように、固定電極１１３上での電極材料の凸部１１２の配置は最適化可能である。しかし、スティクションを回避するためには、凸部１１２の占める面積はできる限り小さくする必要がある。単分子膜１１１が占める面積ができる限り大きく、低表面エネルギーの表面が占有的である必要がある。
【００３２】
なお、可動電極１１１のたわみの長さが、単分子膜の塑性変形が起きる圧縮の長さより短くなるよう凸部の配置を最適化することができる。すなわち、可動電極１１１のたわみの上限が、単分子膜に塑性変形が起きない程度となるように、凸部の配置間隔を決定するのが望ましい。
【００３３】
（実施の形態５）
次に、疎水性電極の製造方法について説明する。
図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態における疎水性電極構造をもつ電気機械スイッチの製造工程を段階的に説明する断面説明図である。ここでは固定電極１１３の表面のみを示す。本実施の形態では、シラン系化合物を単分子膜として選択的に形成した疎水性電極構造を用いる。
【００３４】
先ず、Al、Wなど金属材料の固定電極１１３上に、電子線ビームリソグラフィーやフォトリソグラフィーなどによりマスクパターン（図示せず）を形成し、エッチングによりマスクパターンから露呈する凹部を形成することにより電極材料から成る凸部１１２を有する凸構造を形成する。その後、マスクパターンを除去する（図５（ａ））。
【００３５】
次いで、図５（ｂ）に示すように、ディッピング法により単分子膜１１１を形成する。この場合、固定電極１１３の表面全面に形成される。次に、電極材料により形成された凸部１１２上の単分子膜１１１を、UV照射などによりパターニングし、選択的に除去する。
【００３６】
以上の工程により、図５（ｃ）に示すように、電極材料からなる凸部１１２と単分子膜１１１の複合表面を有する疎水性電極構造の形成が可能となる。
【００３７】
単分子膜１１１の形成は、自己組織化単分子膜形成プロセスにより行う。水にアルコキシシラン化合物を攪拌下に加え、最終濃度が約２%もしくはそれ以下となるようにする。水はアルコキシシランを加水分解してシラノールを生成し、シラノールは基板上-OH基と反応し表面で縮合する。置換は約5分。試料を調合した溶液に浸しゆっくり動かす。ディピング約3分。その後、エタノールにより洗浄する。洗浄3回。N２などで乾燥後、試料をオーブンにより加熱し、単分子膜を定着させる。オーブン110℃、10分。自己組織化単分子膜は、シラン系化合物などが適用可能である。シラン系化合物として、n-octadecyltriethoxysilaneなどが挙げられる。
【００３８】
こののち、凸部の単分子膜をUV照射により、選択的に除去することにより、図５（ｃ）に示すように、凸部１１２で囲まれた単分子膜１１１をもつ固定電極１１３を形成することが可能となる。
【００３９】
なお、図５（ａ）乃至５（ｃ）に示した前記実施の形態の方法では、単分子膜としてのシラン系化合物層を形成したが、変形例として、図６（ａ）乃至（ｃ）に示すように、図６（ｂ）の工程で、単分子膜１１１の形成を単分子層ではなく多層積層して膜厚を制御することも可能である。ここでは数分子層のシラン系化合物分子膜を形成している。膜厚については基板温度や、ガス圧など成膜条件を調整することにより適宜調整可能である。
この例は、エッチング深さを十分に制御できず、凸部の高さを所望の値にすることができないような場合に有効である。
このように、単分子膜に限らず、数分子を積層した膜を用いる方法をとることにより、凸部１１２の高さに応じて単分子膜１１１の厚みを調整し、第１の領域と第２の領域とで高さの等しい接触面構造をとるようにすることができる。
【００４０】
単分子膜を形成する部材に、アルミニウム、金、タングステンなどの金属や、酸化アルミニウム、窒化シリコン、酸化シリコン、Pb(Zr,Ti)O3（PZT）、(Ba,Sr)TiO3（BST）、SrTiO3（STO）、HfO2、AlNなどの絶縁体、シリコン、ガリウム砒素などの半導体を用い、単分子膜に、シラン系化合物を用いることにより、部材と単分子膜を強固に結合させることが可能であり、信頼性の高い疎水性表面構造を得ることができる。
【００４１】
なお、本実施の形態１における疎水性電極構造の電気機械スイッチは、固定電極１１３、可動電極１１４の構造が正方形、円形など適宜選択可能であり、長手方向を有しない構造においても適用可能である。
【００４２】
また、電極材料による凸部１１２上の単分子膜１１１が、可動電極１１４との接触により粘着などの悪影響がないことが保障される場合には、図５（ｂ）に示した単分子膜１１１の除去工程は省略することが可能である。つまり、完成状態が図５（ｂ）に示したように、凹部および凸部の両方に単分子膜１１１を形成したものとなる。
【００４３】
また、本実施の形態１における疎水性電極構造を持つ電気機械スイッチは、固定電極およびまたは可動電極の材料がドープトシリコンを含む半導体材料や、絶縁体材料である場合にも適用可能である。
【００４４】
また前記実施の形態では単分子膜はディッピング法によって形成したが、コーティング法や、気相で単分子膜を形成するVapor-SAM法（CVD法）などを用いてもよいことは言うまでもない。
【００４５】
このように、本発明の疎水性電極によれば、スティクションを回避した高信頼性の疎水性電極を実現することが可能である。また、このプロセスを用いてMEMSデバイスを実現することも可能である。
【００４６】
（実施の形態６）
本発明の実施の形態６の電気機械スイッチについて説明する。
本実施の形態は、単分子膜を固定電極上の高周波信号が伝搬する部分以外に形成するものである。高周波信号が伝搬する表皮深さ以外の部分に形成することにより、高周波信号の伝搬経路に単分子膜が形成されることを防ぎ、単分子膜による誘電体損の発生と挿入損失の増大を回避するようにしたものである。また、単分子膜を高周波信号による電界中に曝すのを防ぎ、単分子膜の電気的損傷を回避するようにしたものである。
【００４７】
図７は、本発明の実施の形態６における疎水性表面構造を持つ固定電極１１３の構成を示す上面図である。図８は、この疎水性表面構造を持つ固定電極１１３が用いられるコプレナー線路（CPW：Coplanar Waveguide）を示す電気機械スイッチの断面説明図である。このコプレナー線路は、高周波信号が伝搬する固定電極１１３（、可動電極１１４）の両側に接地導体Ｇを有する信号線路は、電気機械スイッチにおいては頻繁に使用される構造である。この場合、高周波信号による電界は、固定電極１１３、可動電極１１４から両脇の接地導体へと発生し、高周波信号は信号線路となる固定電極１１３、可動電極１１４の接地導体側の表面を伝搬する。これは表皮効果と呼ばれている。具体的には、高周波信号が伝搬する部分の表面からの深さ（表皮深さλ）に電界が集中することになる。
【００４８】
従来の固定電極１１３全面に単分子膜１１１を形成した構造の場合、高周波信号による電界に単分子膜１１１が曝され、電気的に損傷を受ける可能性があるが、本実施の形態６では、固定電極１１３の両端から表皮深さλの部分は固定電極１１３を最表面材料とし、それ以外の部分に単分子膜１１１を形成することにより、高周波信号の伝搬経路に単分子膜が形成されず、単分子膜による誘電体損の発生と挿入損失の増大を防止することが可能となる。また、電界集中部分には、単分子膜が形成されず電極材料で構成されるため、単分子膜の劣化を防止することが可能となる。
【００４９】
この構成とすることにより、単分子膜１１１を高周波信号による電界から保護することが可能であり、誘電体損の発生と電気的損傷を回避することができ、低挿入損失の信頼性の高い疎水性電極構造を実現することが可能である。
【００５０】
なお、本実施の形態６に示す構造は、実施の形態１乃至５への適用が可能であり、実施の形態１における直接接触領域すなわち第１の領域を構成する凸部１１２の幅が、固定電極１１３の両端から表皮深さλ以上とすることが可能である。
【００５１】
（実施の形態７）
次に実施の形態７について説明する。
本実施の形態の電気機械スイッチは、固定電極上に単分子膜を表面に形成した突起構造を設け、突起構造上に位置する液滴を疎水性の部分から周囲の親水性の部分へ自発的に移動させる排水構造を提示する。電極間の接触部に液架橋が形成されないため、ラプラス圧力の発生を回避できることを特徴とするものである。
【００５２】
図９は、本発明の実施の形態７における疎水性電極構造の電気機械スイッチの構成を示す断面図である。固定電極１１３上に突起構造１１６が形成されており、突起構造１１６の表面に単分子膜１１１が形成されている。可動電極１１４が固定電極１１３と接触した場合、最表面となる突起構造１１６の先端と可動電極１１４の表面が直接接触することになる。ラプラス圧力は、突起構造１１６上の液滴１１５の振る舞いによって決まる。突起構造上に液滴が付着した場合、液滴は疎水性表面から固定電極材料が最表面材料となっている周囲の親水性表面へ移動する。つまり、突起構造１１６上ではじかれた液滴１１５は、濡れ性のよい周囲の親水性表面の部分へ移動し、接触界面となる突起構造１１６上からは排水される。接触界面となる突起構造１１６の先端部分において、単分子膜１１１の膜質が機械的・電気的に劣化した場合、疎水性の性質が損なわれメニスカスが形成される可能性がある。このような場合、本構成では接触界面に液滴が存在しないため、メニスカスの形成を回避することが可能である。
【００５３】
液滴１１５が突起構造１１６の周囲に付着した場合、固定電極１１３と可動電極１１４の表面間でのメニスカス形成を回避するために、突起構造１１６の高さを（式１）に示したメニスカスが存在し得る電極間距離dcapより高くする必要がある。
【００５４】
（実施の形態８）
次に実施の形態８について説明する。
図１０は、本発明の実施の形態８における疎水性電極構造を用いた電気機械スイッチの構成を示す断面図である。図１０（ａ）においては、固定電極１１３の表面に形成された電極材料による凸部１１２間に、突起構造１１６が形成されている。即ち前記実施の形態１乃至５で説明したように電極表面に凹部を形成することにより、電極材料による凸部１１２で囲まれた凹部を形成し、この凹部に、表面を単分子膜で被覆した突起構造１１６を形成したことを特徴とするものである。突起構造１１６を均一の高さとし、この凸部１１２と同一高さとなるように形成しており、固定電極１１３と可動電極１１４の接触界面が、電極材料による凸部１１２と突起構造１１６の複合表面となっている。単分子膜１１１、突起構造１１６を可動電極１１３による物理的圧縮から保護することが可能であり、接触界面の排水性も備え持つ高信頼性の疎水性表面構造を実現することが可能である。
図１０（ｂ）に示すように、固定電極１１３と可動電極１１４の接触界面全面に突起構造１１６を形成することも可能である。
【００５５】
（実施の形態９）
次に実施の形態９について説明する。
図１１は、本発明の実施の形態９における疎水性電極構造を用いた電気機械スイッチの構成を示す断面図である。図１１（ａ）においては、固定電極１１３の表面に形成された電極材料による凸部１１２間に形成される凹部に符合する位置の可動電極１１４側に単分子層１１１を形成し、電気機械スイッチの接触時には固定電極１１３と可動電極１１４とが実施の形態１の場合と同様に、第１の領域では直接接触し、一方第２の領域では、可動電極１１４に形成された単分子膜（疎水性層）１１１を介して接触した構造となっている。他は実施の形態１と同様である。
【００５６】
図１１（ａ）は、図１１（ｂ）におけるＡ−Ｂ断面を示している。固定電極１１３の表面に固定電極１１３と同一の電極材料で形成された凸部１１２が設けられており、単分子膜１１１はこの固定電極１１３に対向する側の可動電極１１４の、凸部１１２の間の凹部に相当する位置に形成されている。このようにして実施の形態１と同様接触時には、凸部１１２が可動電極１１４の表面と直接的に接触する第１の領域１００Ａを構成し、凹部が単分子膜１１１を介して可動電極に接触する第２の領域１００Ｂを構成している。このように平板状の可動電極１１４の、固定電極１１３の凹部に相当する領域に、単分子膜１１１を形成した構造とすることで、可動電極１１４が物理的に固定電極１１３と接触した場合、可動電極１１４は凸部１１２と接触し、凹部に入り込むかたちとなる単分子膜１１１に物理的圧縮を加えることはない。
【００５７】
このように、可動電極１１４が物理的に固定電極１１３と接触した場合、可動電極１１４はこの固定電極と同一材料で形成された凸部１１２と接触し、単分子膜に物理的圧縮を加えることのない構成にすることにより、単分子膜の機械的強度の劣化を防ぐことができ、信頼性の高い疎水性電極構造を得ることが可能となる。
【００５８】
（実施の形態１０）
次に実施の形態１０について説明する。
図１２は、本発明の実施の形態１０における疎水性電極構造を用いた電気機械スイッチの構成を示す断面図である。図１２においては、固定電極１１３の表面に形成された電極材料による凸部１１２間に、相当する領域の、可動電極１１４表面に突起構造１１６が形成されている。すなわち実施の形態８で示した、構造の変形例であり、固定電極１１３の電極表面に凹部を形成して、電極材料による凸部１１２で囲まれた凹部を形成し、この凹部に相当する、可動電極上に、表面を単分子膜で被覆した突起構造１１６を形成したことを特徴とするものである。突起構造１１６を均一の高さとし、この凸部１１２と同等の高さとなるように形成しており、固定電極１１３と可動電極１１４の接触界面が、電極材料による凸部１１２と突起構造１１６の複合表面となっている。この構成においても単分子膜１１１、突起構造１１６を可動電極１１３による物理的圧縮から保護することが可能であり、接触界面の排水性も備え持つ高信頼性の疎水性表面構造を実現することが可能である。
【００５９】
（実施の形態１１）
次に実施の形態１１について説明する。
図１３に示すように、本発明の実施の形態１１として突起構造１１６および単分子膜１１１を形成しない構造とすることも可能である。この場合、凸部１１２の高さをメニスカスが存在し得る電極間距離dcapより高くする必要がある。本構造により、凸部１１２以外の占有的な接触界面にメニスカスが形成されないため、ラプラス圧力の発生を回避することができ、スティクションを回避することが可能となる。またこのとき、第１の領域１００ａを構成する固定電極の凸部１１２を表皮深さλ程度とすることにより、第１の領域１００ａでのみ電気的接続を行い第２の領域１００ｂでは機械的接触を避け、破損を生じないようにすることも可能である。
なお、本実施の形態１１の構造は前記実施の形態１乃至１０のそれぞれの構造への適用が可能である。
【００６０】
また前記実施の形態では、固定電極と可動電極との接触構造について説明してきたが、微小電気機械素子における振動子と固定電極との接触構造、光スイッチなどにおける接触構造など、他のデバイスにも適用可能であることはいうまでもない。
【００６１】
以上説明してきたように、本発明では、例えば、表面構造を電極材料と疎水性をもつ単分子膜との複合表面構造とすることで、単分子膜への物理的圧縮を回避する。また、単分子膜を高周波信号の伝搬経路上に形成しない構造とすることで、単分子膜による誘電体損の発生と挿入損失の増大を防止するものである。そしてさらに、電界による損傷を回避するものである。すなわち、本発明では、電極の最表面が、前記電極のコンタクト領域としての第１の領域と、少なくとも疎水性層が介在する第２の領域とを有する複合表面構造であることを特徴とする。
【００６２】
また、上記微小電気機械素子において、前記疎水性層は、前記第１の部材の表面に配設された突起部を覆う被覆層であるのが望ましい。
この構成によれば、表面構造の一部に疎水性領域を形成することにより、液滴を疎水性の部分から周囲の親水性の部分へ自発的に移動させる排水構造を実現することが可能であり、接触界面に液架橋が形成されないようにすることが可能となる。このため、ラプラス圧力の発生を回避できる一方で、接触により損傷を受け易い疎水性領域から効率よく浸水性領域に排水しうるようにすることができる。また疎水性領域は比抵抗が高くなるが、導電路は低抵抗の親水性領域で構成し、疎水性領域は主として排水のために用いるようにすることにより、比抵抗を高めることなく、排水性を高めることができる。これにより、MEMSデイバスにおけるスティクションを回避可能となり、高信頼性の電気機械スイッチが実現可能となる。また、湿度の影響を受けない電極構造とすることが可能であり、高コストのパッケージング（真空パッケージングなど）を必要としないため、低コストパッケージングによるMEMSデバイスの低コスト化が可能である。
【００６３】
また、上記微小電気機械素子において、前記第２の領域は、前記第１の部材の突起部を被覆するように形成されており、前記突起部の高さは、液架橋を形成し得る程度の長さとなるように形成されるのが望ましい。
【００６４】
また、上記疎水性表面構造において、前記突起構造の高さは、使用環境条件に応じて決定されるのが望ましい。
また、前記突起部の高さｄは、次式を満たすｄｃａｐよりも大きくなるように決定される。
【数３】
0004820816.tif 000004
θは接触角、γlaは液体と気体界面の表面エネルギー、vはモル体積、Rは気体定数、Tは温度、RHは相対湿度
【００６５】
この構成によれば、突起構造上に位置する液滴を疎水性の部分から周囲の親水性の部分へ自発的に移動させる排水構造を実現可能であり、部材間の接触部に液架橋が形成されないため、ラプラス圧力の発生を回避することができる。
【００６６】
また、上記微小電気機械素子において、前記突起構造のまわりは第１の領域で囲まれるようにするのが望ましい。
【００６７】
また、上記微小電気機械素子において、前記突起構造は、前記第１の領域に形成された凹部に所定の間隔で複数形成されるようにしてもよい。
【００６８】
また、上記微小電気機械素子において、前記疎水性層の形成位置に対応して前記第１の部材に凹部が形成され、前記疎水性層は、前記第２の部材の表面に形成され、前記第１の部材の前記凹部内で、前記第１の部材に接するように構成されるのが望ましい。
【００６９】
また、上記微小電気機械素子において、前記疎水性層は、平板状の前記第２の部材の表面に形成されるのが望ましい。
【００７０】
また、上記微小電気機械素子において、前記疎水性層は、前記凹部に符合して突起部を有する前記第２の部材の、前記突出部の表面に形成されるのが望ましい。
【００７１】
また本発明では、上記微小電気機械素子において、前記第１の領域と、前記第２の領域との高さがほぼ等しいものが望ましい。
【００７２】
また本発明では、上記微小電気機械素子において、前記第１の領域が、前記第２の領域よりも高い領域をもつものが望ましい。
【００７３】
この構成によれば、第２の領域の接触を回避することにより機械的強度の低下を防ぐことができる。例えば、可動電極と単分子膜の物理的接触を回避することにより単分子膜の機械的強度の劣化を防ぐことができ、信頼性の高い疎水性表面構造を備えた微小電気機械素子を得ることが可能となる。
【００７４】
また本発明では、上記微小電気機械素子において、前記第２の領域は、前記第１の領域に所定の間隔で島状に形成されたものが望ましい。
【００７５】
また本発明では、上記微小電気機械素子において、前記第２の領域は、周囲を第１の領域で囲まれた前記矩形の島領域を構成するものが望ましい。
この構成により、可動電極のたわみを軽減することが可能であり、第２の領域の接触を回避することにより機械的強度の低下を防ぐことができる。
【００７６】
また本発明では、上記微小電気機械素子において、前記第２の領域は、高周波信号の伝搬する領域を避けて配設されたものが望ましい。
【００７７】
また本発明では、上記微小電気機械素子において、前記第１または第２の部材は、両側をグランド配線に囲まれて形成されるコプレナー構造の配線を構成するものであり、前記第２の領域は、前記電極上の高周波信号の表皮深さに相当する幅を両側に残して形成されたものが望ましい。
この構成により、導電性に大きな影響を与えることなく電界集中を回避することができる。
【００７８】
また本発明では、上記微小電気機械素子において、前記疎水性層は、前記第１の領域を構成する第１の材料の表面に形成された単分子膜であるものが望ましい。
【００７９】
また本発明では、上記微小電気機械素子において、前記第１の部材に形成された凹部の深さは前記単分子膜の１分子層の膜厚と等しいものが望ましい。
【００８０】
また本発明では、上記微小電気機械素子において、前記部材は、アルミニウム、金、タングステンなどの金属や、酸化アルミニウム、窒化シリコン、酸化シリコン、Pb(Zr,Ti)O3（PZT）、(Ba,Sr)TiO3（BST）、SrTiO3（STO）、HfO2、AlNなどの絶縁体、シリコン、ガリウム砒素などの半導体で構成され、前記第２の領域は、シラン系化合物の単分子膜で構成されたものが望ましい。
この構成により、部材と単分子膜を強固に結合させることが可能であり、信頼性の高い疎水性表面構造を得ることができる。また光集積回路あるいは半導体集積回路においてスイッチ、共振器、フィルターなどの種々の素子に適用可能であり、高集積化デバイスの構築が可能となる。
【００８１】
また本発明では、固定電極と、固定電極に対し、接触可能に形成された可動電極とを備えた電機機械スイッチであって、前記固定電極および可動電極の少なくとも一方が上述のような疎水性表面構造をもつ上記微小電気機械素子で構成されるようにするのが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明に係る疎水性表面構造を持つ電気機械スイッチでは、接触界面の少なくとも一方の表面構造を直接接触する第１の領域と、単分子膜を介して接触する第２の領域との複合表面構造とすることで、単分子膜への物理的圧縮を回避することが可能となる。また、単分子膜を高周波信号の伝搬経路上を避けて形成することで、高周波信号の伝搬経路に単分子膜が形成されず、単分子膜による誘電体損の発生と挿入損失の増大を防止することが可能となる。また、電界による損傷を回避するものである。本構成により、単分子膜の機械的・電気的耐久性を維持した信頼性の高い低損失の疎水性表面構造とすることが可能となる。MEMSデイバスにおけるスティクションを回避可能となり、高信頼性の電気機械スイッチが実現可能となる。
【００８３】
また、湿度の影響を受けない表面構造とすることが可能であり、高コストのパッケージング（真空パッケージングなど）を必要としないため、低コストパッケージングによるMEMSデバイスの低コスト化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の実施の形態１における電気機械スイッチを示す図であり、（ａ）は、この電気機械スイッチの構成を示す断面図、（ｂ）は、この電気機械スイッチの構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態２における電気機械スイッチを示す図であり、（ａ）は、この電気機械スイッチの構成を示す断面図、（ｂ）は、この電気機械スイッチの構成を示す上面図である。
【図３】本発明の実施の形態３における電気機械スイッチを示す図であり、（ａ）は、この電気機械スイッチの構成を示す断面図、（ｂ）は、この電気機械スイッチの構成を示す上面図である。
【図４】本発明の実施の形態４における電気機械スイッチを示す図であり、（ａ）は、この電気機械スイッチの構成を示す上面図、（ｂ）は、この電気機械スイッチの構成を示す上面図である。
【図５】本発明の実施の形態５における電気機械スイッチの製造工程を段階的に説明する断面説明図である。
【図６】本発明の実施の形態５における電気機械スイッチの製造工程の変形例を段階的に説明する断面説明図である。
【図７】本発明の実施の形態６における電気機械スイッチの構成を示す上面図である。
【図８】本発明の実施の形態６における電気機械スイッチを用いた電気機械スイッチの構成を示す断面説明図である。
【図９】本発明の実施の形態７における電気機械スイッチの構成を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態８における電気機械スイッチの構成を示す断面図であり、（ａ）は、この電気機械スイッチの構成を示す断面図、（ｂ）は、この電気機械スイッチの構成を示す断面図、
【図１１】本発明の実施の形態９における電気機械スイッチの構成を示す断面図であり、（ａ）は、この電気機械スイッチの構成を示す断面図、（ｂ）は、この電気機械スイッチの構成を示す断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態１０における電気機械スイッチの構成を示す断面図であり、（ａ）は、この電気機械スイッチの構成を示す断面図、（ｂ）は、この電気機械スイッチの構成を示す断面図、（ｃ）は、この電気機械スイッチの構成を示す断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態１１における電気機械スイッチの構成を示す断面図である。
【図１４】高速応答・低電圧駆動電気機械スイッチの構成を示す斜視図である。
【図１５】（ａ）は図１４におけるＡ−Ａ’断面図、図１１（ｂ）は図１４におけるＢ−Ｂ’断面図である。
【図１６】メニスカスの構造を示す図であり、（ａ）は電極表面が親水性の場合を示す断面図、（ｂ）は電極表面が疎水性の場合を示す図である。
【図１７】従来の単分子膜形成後の電極面構造を示す図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）は１７図（ａ）における点線部を示す図である。
【符号の説明】
【００８５】
１１１  単分子膜
１１２  凸部（電極材料）
１１３  固定電極
１１４、１０３  可動電極
１１５  液滴
１１６  突起構造
【図１】
0004820816.tif 000006
【図２】
0004820816.tif 000007
【図３】
0004820816.tif 000008
【図４】
0004820816.tif 000009
【図５】
0004820816.tif 000010
【図６】
0004820816.tif 000011
【図７】
0004820816.tif 000012
【図８】
0004820816.tif 000013
【図９】
0004820816.tif 000014
【図１０】
0004820816.tif 000015
【図１１】
0004820816.tif 000016
【図１２】
0004820816.tif 000017
【図１３】
0004820816.tif 000018
【図１４】
0004820816.tif 000019
【図１５】
0004820816.tif 000020
【図１６】
0004820816.tif 000021
【図１７】
0004820816.tif 000022