(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ウェーハ、第２ウェーハ及び第３ウェーハが順次に積層され、
前記第１ウェーハは、その下部の表面に位置する駆動電極と、前記第１ウェーハの下部の表面において前記駆動電極と対応し、互いに隣接するように位置する入力信号電極及び出力信号電極と、前記電極上において前記第１ウェーハを貫通するビアホールと、前記ビアホール上に形成された金属パッドとを備え、
前記第２ウェーハは、その縁部に前記第１ウェーハと前記第３ウェーハとの間を密封させるシーリング部が形成された胴体と、前記胴体から内側に離れて位置し、シリコン基板と、その上に形成されたパッシベーション層及び前記パッシベーション層上の両側に形成されて前記信号電極と対向するコンタクト電極と一体的に形成され、前記胴体の上部表面から下方に所定距離離れて位置する駆動本体と、前記駆動本体が前記第２ウェーハ内に支持されるように前記駆動本体の対向する両側から各々外方に延びて前記胴体の内側に連結される連結支持部とを備え、
前記第３ウェーハは、前記駆動本体が回動できる空洞を備え、
前記第２ウェーハ上に、前記胴体の内方に該胴体から離れて形成され、その上部が前記各入力信号電極及び出力信号電極に接触して支持する電極支持台がさらに形成された
ことを特徴とするＭＥＭＳリレイ。
【請求項２】
前記連結支持部は、前記駆動本体の対向する両側から各々外方に延びたトーションスプリングと、前記トーションスプリングを前記胴体に支持連結するアンカーとを備えることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳリレイ。
【請求項３】
前記第２ウェーハはシリコンから形成され、前記第１ウェーハ及び前記第３ウェーハはパイレックス（登録商標）ガラスから形成されることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳリレイ。
【請求項４】
前記パッシベーション層は、ＳｉＯ2膜またはＳｉ3Ｎ4膜であることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳリレイ。
【請求項５】
前記金属パッド上にボールグリッドアレイがさらに形成されたことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳリレイ。
【請求項６】
（イ）第２ウェーハであるシリコンウェーハと第１及び第２ウェーハである２つのパイレックス（登録商標）ガラスウェーハを準備する段階と、
（ロ）前記第２ウェーハ上にマスクを形成した後、異方性エッチングを行い、胴体と該胴体の内方に該胴体から離れて、その上部が第１ウェーハに形成された入力信号電極及び出力信号電極に接触して支持する電極支持台を形成する段階と、
（ハ）前記第２ウェーハの中央部にパッシベーション層を形成し、前記パッシベーション層上にコンタクト電極をパターニングする段階と、
（ニ）第１ウェーハの下部の表面に電極をパターニングする段階と、
（ホ）前記第２ウェーハ上に前記第１ウェーハをボンディングする段階と、
（ヘ）第１ウェーハの上部を化学機械的研磨工程により平坦化し、前記第１ウェーハを貫通するビアホールを形成した後に、前記ビアホール上に金属パッドを形成する段階と、
（ト）前記第２ウェーハの下部を化学機械的研磨工程により平坦化した後にパターニングしてエッチングする段階と、
（チ）前記第３ウェーハの上部をエッチングして空洞を形成する段階と、
（リ）前記第２ウェーハの下部に前記第３ウェーハをボンディングする段階とを備えることを特徴とするＭＥＭＳリレイの製造方法。
【請求項７】
前記（ヘ）段階後に、前記金属パッド上にボールグリッドアレイを形成する段階をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載のＭＥＭＳリレイの製造方法。
【請求項８】
前記（リ）段階は、アノディックボンディングにより行われることを特徴とする請求項６に記載のＭＥＭＳリレイの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム（ＭＥＭＳ）リレイに係り、より詳細には、単一の構造体内に形成された二つのスイッチがシーソー作用により互いに反対にオン−オフ作動されるＭＥＭＳリレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路技術の発達に伴い、電子製品に使われる能動素子の小型化には目を見張るものがあるものの、リレイ、可変キャパシタ、可変インダクタなどの受動素子の小型化はあまり進んでいない。この理由から、このような受動素子の小型化が主な課題となっている。
【０００３】
従来のＭＥＭＳリレイスイッチは、そのほとんどが単一構造のものである。単一構造のスイッチが複数個設けられる場合、米国特許第５，６１９，０６１号公報に開示されたように、各スイッチが独立的に作動する構造が一般的である。前記特許公報に開示されたスイッチの概略平面図である図１を参照すれば、一つの入力信号電極ＩＮ及び二つの出力信号電極ＯＵＴ１、ＯＵＴ２が形成されてコントロール電極１にプルダウン電圧が印加されれば、金属プレート２との静電気力により金属プレート２が下方に反って入力信号電極及び出力信号電極ＩＮ及びＯＵＴ１、ＯＵＴ２と接触される。前記二つのスイッチは別のコントロール電極１により独立的に作動される。
【０００４】
しかしながら、このような従来のスイッチは、外部の機械的な衝撃や加速度を受ける時に電極間が離れてオフ状態である場合には、金属プレート２が入出力信号電極と離れて揺れるという短所があり、また、従来のＭＥＭＳリレイは、パッケージング時にワイヤボンディングのための面積の拡大によりパッケージング面積が広まるという問題点があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、二つのスイッチが単一の構造体よりなって互いに反対のオン−オフ動作をすることから、構造的に安定しており、しかも、小型化したＭＥＭＳリレイを提供するところにある。
【０００６】
本発明の他の目的は、前記ＭＥＭＳリレイの製造方法を提供するところにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明によるＭＥＭＳリレイは、第１ウェーハ、第２ウェーハ及び第３ウェーハが順次に積層され、前記第１ウェーハは、その下部の表面に位置する駆動電極と、前記第１ウェーハの下部の表面において駆動電極と対応し、互いに隣接するように位置する入力信号電極及び出力信号電極と、前記電極上において前記第１ウェーハを貫通するビアホールと、前記ビアホール上に形成された金属パッドとを備え、前記第２ウェーハは、その縁部に前記第１ウェーハと前記第３ウェーハとの間を密封させるシーリング部が形成された胴体と、前記胴体から内側に離れて位置し、シリコン基板と、その上に形成されたパッシベーション層及び前記パッシベーション層上の両側に形成されて前記信号電極と対向するコンタクト電極と一体的に形成され、前記胴体の上部表面から下方に所定距離離れて位置する駆動本体と、前記駆動本体が前記第２ウェーハ内に支持されるように前記駆動本体の対向する両側から各々外方に延びて前記胴体の内側に連結される連結支持部とを備え、前記第３ウェーハは、前記駆動本体が回動できる空洞を備える。
【０００８】
望ましくは、前記連結支持部は、前記駆動本体の対向する両側から各々外方に延びたトーションスプリングと、前記トーションスプリングを前記胴体に支持連結するアンカーとを備える。
【０００９】
望ましくは、前記第３ウェーハ上に前記各入力信号電極及び出力信号電極を支持する電極支持台がさらに形成され、さらに、望ましくは、前記第２ウェーハはシリコンから形成され、前記第１ウェーハ及び前記第３ウェーハはパイレックス（登録商標）ガラスから形成される。
【００１０】
望ましくは、前記パッシベーション層は、ＳｉＯ2膜またはＳｉ3Ｎ4膜であり、さらに、望ましくは、前記金属パッド上にボールグリッドアレイがさらに形成される。
【００１１】
前記他の目的を達成するために、本発明によるＭＥＭＳリレイの製造方法は、（イ）第２ウェーハであるシリコンウェーハと第１及び第２ウェーハである２つのパイレックス（登録商標）ガラスウェーハを準備する段階と、（ロ）前記第２ウェーハ上にマスクを形成した後、異方性エッチングを行う段階と、（ハ）前記第２ウェーハの中央部にパッシベーション層を形成し、前記パッシベーション層上にコンタクト電極をパターニングする段階と、（ニ）第１ウェーハの下部の表面に電極をパターニングする段階と、（ホ）前記第２ウェーハ上に前記第１ウェーハをボンディングする段階と、（ヘ）第１ウェーハの上部を化学機械的研磨工程により平坦化し、前記第１ウェーハを貫通するビアホールを形成した後に、前記ビアホール上に金属パッドを形成する段階と、（ト）前記第２ウェーハの下部を化学機械的研磨工程により平坦化した後にパターニングしてエッチングする段階と、（チ）前記第３ウェーハの上部をエッチングして空洞を形成する段階と、（チ）前記第２ウェーハの下部に前記第３ウェーハをボンディングする段階とを備える。
【００１２】
望ましくは、前記（ヘ）段階後に、前記金属パッド上にボールグリッドアレイを形成する段階をさらに備え、さらに、望ましくは、前記（リ）段階は、アノディックボンディングにより行われる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照し、本発明の実施形態によるＭＥＭＳリレイについて詳細に説明する。
【００１４】
図２は、本発明の望ましい実施形態によるＭＥＭＳリレイの全体が見られるように上部の一部を省略して展開した斜視図であり、図３は、本発明の望ましい実施形態によるＭＥＭＳリレイの断面図であり、図４は、図３のIV−IV’線断面図であり、図５は、図２の中間層に当たる第２ウェーハの構造を説明するための平面図である。
【００１５】
これらの図面を参照すれば、ＭＥＭＳリレイは、第１ウェーハ１０、第２ウェーハ３０及び第３ウェーハ７０が順次に積層された構造となっている。
【００１６】
前記第１ウェーハ１０には前記第１ウェーハ１０を垂直に貫通するビアホール１８が形成されており、各ビアホール１８上には金属パッド２０が形成されている。そして前記金属パッドの上には外部回路と直接的に接続されるボールグリッドアレイ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ、以下、ＢＧＡ ）２２が形成されている。前記第１ウェーハ１０の下部において、前記ビアホール１８の下部にはそれぞれビアホール１８に対応する電極１２、１４、１６が形成されている。参照番号１２は駆動電極であり、参照番号１４及び１６は各々対をなして互いに隣接するように形成され、それらの下部のコンタクト電極５６と接触することにより短絡がなされる入力信号電極１４及び出力信号電極１６である。前記入出力信号電極１４、１６は、図４に見られるように、コンタクト電極５６と共にスイッチを形成する。
【００１７】
前記ＢＧＡ ２２の形成によりフリップチップボンディングができ、その結果、コンパクトなパッケージングが可能になる。
【００１８】
前記第２ウェーハ３０はその縁部を限定する胴体４０と、前記胴体４０に回動自在に連結される駆動本体５０、及び前記胴体４０と前記駆動本体５０とを連結する連結支持部６０を備える。前記胴体４０は第１ウェーハ１０と第３ウェーハ７０との間を密封させるシーリング部４２と、前記胴体４０の内方に前記胴体４０から離れて形成され、その上部が各信号電極１４、１６と接触されて前記信号電極１４、１６を安定的に支持する電極支持台４４とを含む。従って、前記信号電極１４、１６は互いに絶縁された状態に位置される。
【００１９】
前記駆動本体５０はシリコン基板５２、パッシベーション層５４及びコンタクト電極５６が順次に積層された構造を有し、下方の第３ウェーハ７０、上方の第１ウェーハ１０及び側方のシーリング部４２により取り囲まれた空間に浮いた状態で形成されている。前記パッシベーション層５４はシリコン基板５２上にＳｉＯ2またはＳｉ3Ｎ4膜がパターニングされて形成され、コンタクト電極５６は信号電極１４、１６と対向するように形成されてこれらと共にスイッチの作用をする。
【００２０】
前記連結支持部６０は、胴体４０の対向する両側壁から駆動本体５０側に延びるアンカー６４と、前記アンカー６４からさらに延びて駆動本体５０に連結されて駆動本体５０を支持するトーションスプリング６２とを含む。
【００２１】
前記第３ウェーハ７０の内部には駆動本体が左右に回動できる空洞７２が形成されている。
【００２２】
前記第２ウェーハ３０はシリコンウェーハであり、前記第１及び第３ウェーハ１０、７０は前記第２ウェーハ３０と熱膨張係数がほぼ同一であって前記ウェーハ１０、３０、７０間のアノーディックボンディングが可能なパイレックス（登録商標）ガラス（商品名：米国コーニング社７７４０番パイレックス（登録商標）ガラス）から形成されることが望ましい。
【００２３】
図６は、中立状態のＭＥＭＳリレイを説明するための断面図であり、図７は、左側のスイッチがオン状態であるＭＥＭＳリレイを説明するための断面図である。
【００２４】
これらの図面を参照すれば、駆動電極１２に電圧が掛かっていない状態では左側及び右側の各々の信号電極１４、１６及びコンタクト電極５６ａ、５６ｂが両方とも互いに離れている中立状態となり（図６参照）、図７でのように、左側の駆動電極１２ａに駆動本体５０との電位差が生じるように電圧を掛ければ、左側のコンタクト電極５６ａと左側の駆動電極１２ａとの間の静電気力により左側のコンタクト電極５６ａが上方に動いて入力及び出力信号電極１４、１６と接触し、これによりスイッチがオン状態となる。逆に、右側のスイッチをオンしようとする場合には、前記電圧信号を変更して右側のスイッチを形成する駆動電極１２ｂと駆動本体５０との電位差を形成すれば、シーソーは捩じれて右側のコンタクト電極５６ｂと右側の駆動電極１２ｂとの間の静電気力により右側のコンタクト電極５６ｂが上方に動いて入出力信号電極１４、１６と接触し、これによりスイッチがオン状態となる。
【００２５】
このような構造のＭＥＭＳリレイの製造方法を図８Ａないし図８Ｊを参照して詳細に説明する。
【００２６】
これらの図面を参照すれば、まず、シリコンウェーハである第１ウェーハ１０と、絶縁体であり、シリコンウェーハと熱膨張係数がほぼ同一であるパイレックス（登録商標）ガラスウェーハである第２及び第３ウェーハ３０、７０を準備する。
【００２７】
次に、図８Ａに示されたように、第２ウェーハ３０上にマスク層３１を形成する。この時、マスク層の物質としては、エッチングの方法に応じてフォトレジスト、酸化物または金属が用いられる。
【００２８】
次に、図８Ｂに示されたように、第２ウェーハ３０を所定の深さに異方性エッチングしてマスク層を除去する。
【００２９】
次に、図８Ｃに示されたように、ＳｉＯ2またはＳｉ3Ｎ4を用い、前記エッチングされた一部の領域にパッシベーション層５４をパターニングする。
【００３０】
次に、図８Ｄに示されたように、前記パッシベーション層５４の上にコンタクト電極５６をパターニングする。
【００３１】
前記第２ウェーハをエッチングする間に、図８Ｅに示されたように、第１ウェーハ１０の下部の表面に電極１２、１４、１６をパターニングする。
【００３２】
次に、図８Ｆに示されたように、前記第１ウェーハ１０及び第２ウェーハ３０をアノーディックボンディング法によりボンディングする。この時、アノーディックボンディングが用いられる理由は、ボンディング面間の厚さの制御が容易であるためである。これにより、前記シリコンウェーハとパイレックス（登録商標）ガラスとの間のボンディング面間の厚さが数μｍ以下に制御される。
【００３３】
次に、図８Ｇに示されたように、第１ウェーハ１０の上部を化学機械的研磨（ＣＭＰ）工程により平坦化した後、第１ウェーハ１０を貫通するビアホール１８を形成する。次に、このビアホールの上に金属パッド２０を形成する。
【００３４】
次に、図８Ｈに示されたように、第２ウェーハ３０の下部をＣＭＰ工程により平坦化した後にパターニングしてエッチングし、駆動本体５０を第２ウェーハ３０の下部から浮いた状態で形成する。実際には、前記駆動本体５０は、連結支持部（図２の６０）により支持される。
【００３５】
次に、図８Ｉに示されたように、第３ウェーハ７０を所定の深さにエッチングして空洞７２を形成する。
【００３６】
次に、図８Ｊに示されたように、第３ウェーハ７０を第２ウェーハ３０にボンディングする。
【００３７】
次に、図３に示されたように、金属パッド２０の上にＢＧＡ ２２をさらに形成して、ＭＥＭＳリレイのパッケージング時のフリップ−チップボンディングに用いる。
【００３８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によるＭＥＭＳリレイは、パッケージングがチップスケールでなされることからワイヤボンディングなどに必要な面積が不要になるのでリレイを小型化できる。また、シーソーのような構造により一方の側のスイッチがオンされれば、他方の側のスイッチがオフされるので、オフされるスイッチもオンされるスイッチの固定により外部の衝撃などに強い構造を有するという長所がある。
【００３９】
本発明は図面を参照して実施形態を参考として説明されたが、これは単なる例示的なものに過ぎず、当該分野における通常の知識を有した者であれば、これより各種の変形及び均等な実施形態が可能であるという点は理解できるのであろう。よって、本発明の真の技術的な保護範囲は特許請求の範囲上に限って定まるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来のＭＥＭＳリレイの概略平面図である。
【図２】  本発明の望ましい実施形態によるＭＥＭＳリレイの展開斜視図である。
【図３】  本発明の望ましい実施形態によるＭＥＭＳリレイの断面図である。
【図４】  図３のIV−IV’線断面図である。
【図５】  図２の中間層に当たる第２ウェーハの平面図である。
【図６】  中立状態のＭＥＭＳリレイを説明するための断面図である。
【図７】  左側のスイッチがオンされた状態のＭＥＭＳリレイを説明するための断面図である。
【図８Ａ】  本発明の望ましい実施形態によるＭＥＭＳリレイの製造方法を段階別に説明する図でって、第１の段階を示す図である。
【図８Ｂ】  図８Ａの次の段階を示す図である。
【図８Ｃ】  図８Ｂの次の段階を示す図である。
【図８Ｄ】  図８Ｃの次の段階を示す図である。
【図８Ｅ】  図８Ｄの次の段階を示す図である。
【図８Ｆ】  図８Ｅの次の段階を示す図である。
【図８Ｇ】  図８Ｆの次の段階を示す図である。
【図８Ｈ】  図８Ｇの次の段階を示す図である。
【図８Ｉ】  図８Ｈの次の段階を示す図である。
【図８Ｊ】  図８ＩＤの次の段階を示す図である。
【符号の説明】
１０  第１ウェーハ
１２  駆動電極
１４  入力信号電極
１６  出力信号電極
１８  ビアホール
２０  金属パッド
２２  ＢＧＡ
３０  第２ウェーハ
４０  胴体
５０  駆動本体
５６  コンタクト電極
７０  第３ウェーハ
【図１】
0004040308.tif 000002
【図２】
0004040308.tif 000003
【図３】
0004040308.tif 000004
【図４】
0004040308.tif 000005
【図５】
0004040308.tif 000006
【図６】
0004040308.tif 000007
【図７】
0004040308.tif 000008
【図８Ａ】
0004040308.tif 000009
【図８Ｂ】
0004040308.tif 000010
【図８Ｃ】
0004040308.tif 000011
【図８Ｄ】
0004040308.tif 000012
【図８Ｅ】
0004040308.tif 000013
【図８Ｆ】
0004040308.tif 000014
【図８Ｇ】
0004040308.tif 000015
【図８Ｈ】
0004040308.tif 000016
【図８Ｉ】
0004040308.tif 000017
【図８Ｊ】
0004040308.tif 000018