JP2007521612A - 微小電気機械装置及びモジュール並びにその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明のＭＥＭＳ素子は、第１、第２、及び中間第３電極を有する。第２電極と第３電極とによって構成された切替可能コンデンサが入力と出力との間の信号経路内に設けられ、第１電極と第３電極とによって構成された切替可能コンデンサが信号経路とグランドとの間に設けられるので、ダイナミック・レンジが大きくなる。本発明のＭＥＭＳ素子は受動構成要素の回路網における集積に非常に適している。

Description

本発明は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子を備える電子装置であって、この素子は、第１及び第２の電極と、第１及び反対側の第２の導電性側面を有する中間ビームとを有し、この第１の側面は第１の電極に面し、この第２の側面は第２の電極に面し、このビームは、駆動電圧を印加することによって、第１及び第２の電極へと、またそこから移動可能である電子装置に関する。

本発明は、さらに、かかる装置を備えるモジュールに関する。

かかる電子装置が、例えば国際公開ＷＯ００／５２７２２号から既知である。この既知の装置は、諸電極及びビームが、基板にほぼ平行な平面に設けられたＭＥＭＳ素子である。上記の明細書では、中間ビームは、２つの導電性表面の間に第１の絶縁層と、カンチレバー・ビームと、第２の絶縁層とを備える積層体である。その両側面は制御面として使用され、上部スイッチ構造と底部スイッチ構造とで別々の駆動機能を使用することを可能とする。これにより、プッシュ動作及びプル動作を同時に高速で行うことが可能となる。両方の導電性表面をグランド共通電位に配置することにより、カンチレバー・ビームにおける信号電流と、クーロン力をもたらす制御信号との間に静電遮蔽がもたらされることになる。従って、この構造は、より簡単なカンチレバー・ビーム構造に比べて、信号アイソレーションの向上を実現するものである。

この既知の電子装置の欠点は、この装置は、高周波領域において応用するには不十分なダイナミック・レンジを有する点である。

従って、本発明の第１の目的は、冒頭の段落で述べた種類の、ダイナミック・レンジが改善された電子装置を提供することである。

本発明の第１の態様によれば、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子を備える電子装置であって、第１及び第２の電極と、第１及び反対側の第２の導電性側面を有する中間ビームとを備え、前記第１の側面が前記第１の電極に面すると共に前記第２の側面が前記第２の電極に面し、前記ビームが、前記第１の電極と前記第２の電極との間に駆動電圧を印加することによって移動可能である電子装置であって、前記第２の電極と、前記ビームの前記第２の導電性側面とが、中間誘電体と共に、入力と出力との間の信号経路に接続される第１の切替可能コンデンサを形成し、前記第１の電極と、前記ビームの前記第１の側面とが、中間誘電体と共に、前記信号経路からグランドへと結合される第２の切替可能コンデンサを形成することを特徴とする電子装置が提供される。

注目すべきことに、一方のコンデンサが信号経路内にあり、他方のコンデンサがグランドに接続される、この接続を有するＭＥＭＳ素子は、改善されたダイナミック・レンジをもたらすことが判明している。この接続は、実際には、いずれの中間ビームも有しない従来のＭＥＭＳコンデンサ及びスイッチの、シャント構成と直列構成との組合せである。本発明の素子は、それらの従来の素子に比べて、所与の挿入損失で大幅に高いアイソレーションをもたらす。従来のＲＦ−ＭＥＭＳ容量性スイッチは、−０．１ｄＢの挿入損失で−２０ｄＢのアイソレーションを示すが、本発明の素子は、同じ挿入損失で−３２ｄＢのアイソレーションを示す。さらに、この改善された性能は全体的な装置寸法を増大させずに実現される。

第１の実施形態では、上記ビームは第３の電極として具体化される。従って、このビームには、現況技術において使用されている構造よりも遥かに簡単な構造が使用されている。この構造は、第１の利点として、その構造が低い剛性を有し、従って非常に低い作動電圧、好ましくはわずか数ボルトのバッテリ電圧よりも低い動作電圧を可能とするという利点を有する。この構造は、第２の利点として、その製造性が改善されているという利点を有する。実際に、この実施形態の素子は、薄膜プロセスにおいて実現されることが可能である。

他の実施形態では、第２の電極の表面積は第１の電極の表面積よりも小さくなっている。これによって、このスイッチの性能は調整可能となり、さらに高いアイソレーションでも実現され得る。第２の電極の表面積を変更するには様々な方策があり、すなわち、第２の電極の表面積は、第３の電極及び第１の電極の表面積よりも小さくされることができ、また、第３の電極とのみ限定された重複部を有することもできる。しかし、第２の電極は個々の区画に分割されることが好ましい。かかる分割は、第３の電極が第２の電極の範囲内に収まることを可能とする。この分割は、第１の電極と第２の電極との表面積比の良好な設計を可能とする。さらに、この分割は第３の電極の下に空間を形成する。この空間形成は、第３の電極が第２の電極に貼り付く問題が解消されるという利点を有する。望まれる場合には、この問題は、空気の流動を利用して、又は、第３の電極の材料とはどんな誘引相互作用も示さない別の材料で区画同士の間の空間を充填することによって、積極的に低減され得る。かかる実施形態を用いると、そのアイソレーションは−３８ｄＢまで改善され得る。分割の効果は全体として相当なものになり、すなわち、（直列コンデンサに関して）グランドに結合されたコンデンサが４倍に増加すると、そのダイナミック・レンジは１０倍に拡大される。

この構造では、ＭＥＭＳ素子は横型構造、例えば、第１及び第２の電極が、基板に対してほぼ平行に向いた平面に存在する構造であることが好ましい。ほぼ平行という用語は、例えば加速度計において使用される縦型ＭＥＭＳ素子と比較して見られるべきものである。

第２の電極が基板上に存在する場合、この第２の電極を個々の区画に分割するのがより容易となるので、第２の電極は基板表面に存在することがさらに好ましい。

さらに、第１の電極は、ビームのばね定数よりも実質的に大きいばね定数を有する層内に実現されることがより一層好ましい。この第１の電極は、ブリッジ状の形状に構築される。安定した動作を得るには、駆動電圧によって誘起されるこのブリッジの移動は、ビームの移動に比べて無視できる程度であるべきである。さらに、このブリッジが十分に剛性でない場合、ビームが上方又は下方に動かされる場合に、第１の電極に共振現象が生じる危険がある。この共振現象は望ましくない。この問題は、第１の電極の層の剛性を増大させることによって解消される。この層の剛性は、層の厚さを例えば１〜１０ミクロン程度まで増大させることによって、又は、より高い剛性を有しながらも良好な導電率を有する材料を使用することによって増大され得る。その材料の例は、好ましくは合金元素を１〜５％含む、Ａｌ及びＴｉの合金、並びにＡｌ及びＣｕの合金である。

第１の電極は増大した厚さを有するので、この第１の電極はグランドに接続されることがさらに好ましい。この増大された厚さの結果、より高い導電率が得られ、従って、グランドはまた、実際のグランド電位を有することにもなる。

用語「導電性側面」は、これらの面が絶縁材料製の薄層で被覆されている場合を排除すべきものではない。実際に、第３の電極にＡｌが使用される場合、Ａｌ_２Ｏ_３の自然酸化物が形成されてもよい。これは、第１及び第２の電極が、信号電極としてだけでなく、作動電極としても機能する場合、特に好ましい。第３の電極もまた、両方の機能を与えられ得る。その場合、この誘電体は短絡を防止する保護物として働く。

この第１及び第２の切替可能コンデンサは、コンデンサとしても、スイッチとしても適用され得る。グランドへと向かう容量挙動が必要とされる場合、誘電体層が第２の電極の上面に存在していてもよい。適当な誘電体は、例えば窒化シリコン、酸化タンタル等である。

本発明はさらに、基板上に設けられた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子を備える電子装置であって、前記基板にほぼ平行な平面に設けられた第１及び第２の電極と、前記第１の電極と第２の電極との間に設けられた中間ビームとを備え、前記中間ビームが第１及び反対側の第２の導電性側面を有し、前記第１の側面が前記第１の電極に面すると共に前記第２の側面が前記第２の電極に面し、前記ビームが、前記第１の電極と前記第２の電極との間に駆動電圧を印加することによって移動可能である電子装置に関する。

本発明の第２の目的は、製造するのが容易であり、且つ優れた電気性能を可能とするかかる電子装置を提供することである。

この目的は、第１及び第２の導電性側面が、第３の電極である同じ導電性層の一部分であることで達成される。これによって、３つの金属層を用いた薄膜プロセスが使用されることが可能となる。かかる薄膜プロセスはより容易に制御され得る。

本発明の利点は、３つの電極を有するこのＭＥＭＳ素子が、特に、以下で示される様式で接続された場合に良好な電気性能を有することである。第３の電極は、第１の電極及び第２の電極のどちらにも接触され得る。第１の電極に付着される場合、その電気接触はかなり良好となり、従って非常に低いアイソレーション損失となる。第２の電極に付着される場合、そのアイソレーション損失はかなり高く、−４０ｄＢまでになる。

この素子の特性は、コンデンサ、センサ、又は、スイッチとして使用するために最適化されることが可能である。可変コンデンサとして使用したい場合には、第１及び第２の電極の形状は、第１の電極と第３の電極との間で、第２の電極と第３の電極との間の容量面積とは別の容量面積を有するように、異なるように選択されることができる。

スイッチとして使用したい場合には、貼付き現象を防止するために、電極同士の重なりは縮小され得る。また、第１及び第２の電極における接点領域は、同じ位置に選択される必要はなく、すなわち、第１の電極が第２の電極の金属層の上面に突設されている場合、第１の電極と第２の電極との間にはいずれの重なりも必要でない。これは、諸電極の適切なパターニングによって実現され得る。この面積の縮小は、電極の設計に、より広い自由度を許容することになり、従って、装置の最適ＲＦ特性を可能にすることになる。基板の寄生容量が低減され得、また、相互接続部が、グランド・プレーン又はグランド相互接続部に結合されることにより、ストリップ線路特性を有することができるように（例えば伝送線路又は同軸構造として働くように）、その位置は選択されることができる。

電極の所望のパターニングの代替実装形態は、一方又は両方の電極に、接触を得るためのウインドウを含む表面層が設けられるものである。１つ又は２つのそのような表面層の使用により、諸電極間の接触面が完全に平坦ではなくなるので、どんな貼付き現象をも低減することができる。この表面層の使用は、かかる表面層がない場合の結果が幾分の妥協の余地があることを示しているので、電気接触にとって不利とはならないであろう。この表面層の使用は、特に第２の電極に適している。ＭＥＭＳ素子がコンデンサを有する受動回路網に集積されている場合、厚さが比較的小さいパターンニングされた誘電体層が、第２の電極が画定されている金属層の上面に何らかの形で存在する。第２の電極の露出領域が第３の電極の露出領域よりも小さくなるように、その誘電体層を適切にパターンニングすることに問題はない。

他の実施形態では、ＭＥＭＳ素子は、その構造内にばね状の素子が設けられている。かかるばね状構造は、ＭＥＭＳ素子の分野においてそれ自体は既知である。基本的に、本発明において第１の電極として働くブリッジ状又は膜状の構造は、この構造に水平に存在する多くののビームによって基板に接続される。これらのビームは、より高い弾性を有し、従って、振動することができる。従って、それらのビームはばねと同等である。これらのビームは、例えばある角度を含む所望の設計を有することができる。

かかる構造は、本発明に関して、第１の電極の移動を可能とする点において特に有利である。さらに、この構造によって容量レンジが拡大する。さらに、この構造は、３つ以上の状態、すなわち、３つの電極全てが互いに付着した全閉状態と、第３の電極が第１の電極に付着した第１の半開状態、第３の電極が第２の電極に付着した第２の半開状態と、さらに、第３の電極が第１の電極にも第２の電極にも付着していない全開状態との間での切替えを可能とする。この最後の状態では、第３の電極もまた、ばねを含む構造によって支持されていることが好ましい。この構造のもう１つの利点は、どんな静止摩擦力にも対処するのに、同じ駆動電圧で例えば６．７５倍高い力が利用可能である点である。これは、装置の信頼性を向上させる。

適当な実施形態では、第２の電極は、実質的に弾性である。この弾性は、第２の電極がロール・オフされ得ることを可能とする。これは、第２の電極の一部分が第１の電極に付着した位置にあり、第２の電極の一部分がその第２の電極に非常に近い位置にあることを意味する。この第２の電極の弾性挙動は、第２の電極の材料及び厚さの選択において実現され得る。例えば金、銀、銅、及びアルミニウム製の薄い金属層は十分に弾性である。その弾性は、適当な元素と合金にする、例えばアルミニウムの場合では０．５〜２％の銅と合金にすることによってさらに調整され得る。この合金は、純粋なアルミニウムと同程度の硬度を示すが、かなり低減したクリープを有する。

この実施形態は、第３の電極が、他の電極の少なくとも１つと共にコンデンサを形成する場合に特に適している。その利点は、このコンデンサが、特に第１及び第２の電極しか有しない可変コンデンサに比べて、かなり拡大された連続同調レンジを有することである。

容量の調整は、電極面積を変えることによって、及び又は第１の電極の表面上と第２の電極の表面上とで異なる誘電体を使用することによって実現される。

従って、第１の実装形態は、第１の電極の表面上の誘電体層の誘電率と、第２の電極の表面上の誘電体層の誘電率とが異なるものである。一方の表面上に、窒化シリコン、酸化タンタル、さらには例えばチタン酸ジルコン酸鉛などのペロブスカイト・セラミックなど、比較的高い誘電率を有する層を使用し、他方の表面上に、例えばベンゾシクロブテン、有機化メソポーラスシリカなどの低い誘電率を有する層を使用することは不可能ではない。

第２の実装形態は、第１及び第２の電極が異なる形状を有するものである。かかる形状は、両電極が局所的にのみ存在するようにパターンニングされたものでよい。第１の電極が通常はブリッジ構造であることを考えると、これは主に第２の底部電極の形状に関する。この第２の電極は、さらに、多くの区画に分割されることができる。三角形の区画に分割することが特に適していると思われる。この分割は、電極面積の連続的な変更を可能にし、それと同時に、それらの区画がこの電極内部で相互に接続されることとなる。

第１の電極が存在する層は、ブリッジ状構造を有するように十分な機械的強度を有し、それと同時に、ＲＦ応用分野において、相互接続部として働くように十分な導電率を有することが非常に好ましい。これは、材料を適切に選択することによって実現されることが可能である。

他の実施形態では、このＭＥＭＳ素子は、受動回路網内に集積される。インダクタが、第１の電極が同じく画定されている層中に画定されることができ、この層はその剛性が第３の電極に比べて増大するようにより大きい厚さ及び又は別の材料組成物が与えられている。薄膜コンデンサの諸電極は、第２及び第３の電極と同じ層中に画定され得る。このＭＥＭＳ素子が、特に、スイッチではなく可変同調コンデンサとして使用されることになる場合には、誘電体層がＭＥＭＳ素子の第２の電極を被覆してしまうことも可能である。ＲＦ領域において適用可能な、良好なコンデンサ、良好なインダクタ、及び良好な相互接続部を有するかかる受動集積プロセスを製造するプロセスが、米国特許第６５３８８７４号から既知であり、この特許を参照により本明細書に組み込む。

上述の実装形態及び実施形態は、ここでも適用可能である。

このＭＥＭＳプロセスの基板は、好ましくは絶縁体又は半絶縁体である。かかる基板の例には、ＧａＡｓ、ガラス、アルミナ、及びセラミックが含まれ、内部導体を有するもの、有しないものがある。セラミックの選択により、熱膨張挙動を最適化することができる。しかし、高抵抗性シリコンを基板として使用するのが好ましい。多結晶シリコン、及び、Ｈｅ又はＡｒなどのイオン注入によって高抵抗性とされた高抵抗性単結晶シリコンのどちらも使用されることが可能である。非晶質上面層を有するシリコン基板が、別の適当な選択肢である。

本発明の電子装置はインピーダンス整合に非常に適している。特に好ましいのは、携帯電話のアンテナ用のインピーダンス整合回路網への適用であり、ここでは受信経路と送信経路との間の切替え、及び、様々な異なる周波数帯同士間での切替え用のアンテナ・スイッチが含まれる。しかし、インピーダンス整合はまた、他の場所、例えば、パワー増幅器、送受信装置にも適している。

引用可能な従来技術は、本発明を教示してはいない。

欧州特許第１０９３１４２号及び国際公開ＷＯ００／５２７２２号はどちらも、中間電極がいくつかの層の積層体である構造を示している。この構造は、産業規模では簡単な製造が可能でない。

米国特許公開第２００２／０１５３２３６号は、中間電極を有する構造（図２０）を示すが、これは（センサに使用される）縦型ＭＥＭＳ構造であり、横型構造ではない。

米国特許第６３１０５２６号は、磁気作動原理を有する構造を記載している。この特許では、ＭＥＭＳは１つの入力マイクロストリップと２つの出力マイクロストリップとの間のスイッチである。これらのマイクロストリップには厚み値（０．５〜１０μｍ）が与えられているが、こうした値はマイクロストリップの挙動にのみ依存するものである。２つの出力の１つをグランドに接続し、これらのスイッチをコンデンサとしても使用することは提案されておらず、また、示された装置の製造も示されてはいない。

米国特許公開第２００３／００４８０３６号は、櫛歯形センサ・アクチュエータに基づいて動作するＭＥＭＳ構造を示している。この特許は、その冒頭で、本発明にて使用される静電ＭＥＭＳ構造について論じており、櫛歯形センサ／アクチュエータとの違いを明白に述べている。

本発明の上記及びその他の態様は、以下で説明する実施形態から明らかになり、それらを参照すると理解されるであろう。

添付の図面を参照して、本発明の実施形態が単なる例によって以下に説明される。

異なる図における同等の構成部品は、同じ参照番号によって参照される。これらの図面は、全く概略的なものである。

図面の図１Ａを参照すると、従来の切替可能ＭＥＭコンデンサ１０が、基板１４上に取り付けられた本体１２を備え、それらの間に凹部１６を有している。第１の電極３０が本体１２中に画定されている。固定された第２の電極２０が、基板１４の上面に設けられている。使用時には、自立した第１の電極３０は、第１の電極３０と第２の電極２０との間で直流駆動電圧を印加することによって、底部電極２０に引き寄せられる。極端な状況では、第１の電極３０の表面１８は、第２の電極２０に接触することになる。図面の図１Ｂにて示されるように、このＭＥＭ装置１０は、シャント構成又は直列構成のいずれかにおいて動作可能である。

原則として、上述のものなどの容量性ＭＥＭＳスイッチは、それらの半導体相当物（例えばｐ−Ｉ−ｎダイオード及び電界効果トランジスタ）に比べて、低挿入損失で高アイソレーションをもたらす。上記のように、（電流によるガルバニック接触ではなく、容量性接触である）これらの従来のＭＥＭＳスイッチは、シャント構成又は直列構成のいずれかで使用される。しかし、実際には、この種の容量性スイッチのダイナミック・レンジは、上部電極が底部電極２０に引き寄せられるときに得られる容量密度によって制限される。特に、スイッチが閉のときに接触する両電極の表面粗さが、比較的低い容量密度をもたらす。例えば、アルミニウムがスパッタされた厚さ５００ｎｍの層は、１０ｎｍまでの表面粗さＲ_ｕを有する。この表面粗さでは、それらの電極が互いに引き寄せられたときに、両電極の間に約３０ｎｍの空隙が残ることになる。実際には、この有効空隙は、自立電極が底部電極２０に引き寄せられたときに、３００ｐＦ／ｍｍ^２の容量密度をもたらす。典型的な装置のレイアウトでは、この容量密度は、−０．１ｄＢの挿入損失でほんの−２０ｄＢのアイソレーションしかもたらさない。ダイナミック・レンジは、スイッチ１０の寸法を大きくすることによって（すなわち、電極面積、並びに上部電極と底部電極との間隔を大きくすることによって）増大させることができる。しかし、実際には、こうした増大により、装置が容認できないほど大きくなってしまう（すなわち、電極面積が数ｍｍ^２、間隔が１０μｍ超となる）。

次に、図面の図２を参照すると、本発明の例示的な実施形態によるＭＥＭ切替可能コンデンサ１０が、基板１４に取り付けられた本体１２を備え、それらの間に凹部１６を有している。第１の電極３０が本体１２中に画定され、第２の電極２０が基板１４上に存在している。この装置は、第１の電極と第２の電極との間に、そこにほぼ平行な自立した薄膜を備える中間ビーム２２０をさらに備え、この中間ビーム２２０がこの素子の第３の電極を形成している。言い換えれば、この装置は、３つの電極３０、２０、２２０を備え、そのうちの２つは、基板１４の上に懸架されている。使用時には、その切替動作は、中間電極２２０を固定された上部電極３０又は底部電極２のいずれかに引き寄せることによって実施される。この引寄せ動作は、移動電極２２０と、固定電極３０、２０の一方との間で直流電圧を印加することによって行われる。

図２に示される構成では、電極３０、２０、２２０はそれぞれ、中間ビーム２２０が固定電極３０、２０の一方に引き寄せられたときに短絡するのを回避するように誘電体層２４０で覆われている。第３の電極２２０上に存在する誘電体層は、具体的には、Ａｌ_２Ｏ_３の自然酸化物、又は、他の任意の絶縁表面層である。第１の電極３０とビーム２２０の第１の導電性面２６０とは、中間誘電体と共に、入力と出力との間の信号経路に接続される第１の切替可能コンデンサＣ１を形成する。同様に、第２の電極２０とビーム２２０の第２の導電性側面２８０とは、中間誘電体と共に、信号経路からグランドに結合される第２の切替可能コンデンサＣ２を形成する。このようにして、図３に示される回路が実現される。図２の装置配置は、図１Ａ及び１Ｂを参照して説明したシャント構成及び直列構成を単一の装置内に集積していることが分かる。

その結果、装置１００のダイナミック・レンジは、そのスイッチ寸法を損なわずに拡大されることになる。この装置配置はまた、低い切替電圧で高速な切替時間をもたらす。図２の双安定装置配置の、（図１を参照して説明した、従来の）単一直列スイッチ又はシャントスイッチに比べて改善された性能が、図面の図４にグラフで示されている。図面の図２に関してほんの一例として示される、本発明による双安定スイッチは、所与の挿入損失で大幅に高いアイソレーションをもたらすことが分かる。例えば、直列スイッチ及びシャントスイッチは、−０．１ｄＢの挿入損失で−２０ｄＢのアイソレーションを示す。しかし、挿入損失が−０．１ｄＢの図２の双安定スイッチは、−３２ｄＢのアイソレーションを示す。この改善された性能は、従来技術による装置よりも全体的な装置寸法を増大させずに実現されることも分かる。

このスイッチ性能は、底部電極面積と上部電極面積との比率を変えることによってさらに最適化されることが可能である。例えば、−０．１ｄＢの挿入損失が許容される場合、最高のアイソレーションを実現するために底部電極面積と上部電極面積との比率は調整され得る。この調整は、図面の図４のグラフで示されるように、この場合では−３８ｄＢまでのアイソレーションのさらなる増大をもたらすことになる。これらの結果は、Ｃ_１＝２Ｃ_２とすることによって得られたものであり、このデータは、９００ＭＨｚ（ＧＳＭ帯域）の周波数で、上部電極と底部電極との間隔が２．４μｍで計算されたことに留意されたい。正方形電極とした場合、電極長は電極面積の平方根に等しいことが理解されるであろう。

図面の図５を参照すると、電極面積を変える方策の１つは、例えば、底部電極２０を分割することである。しかし、同じ結果を得るのに他の方法も想定され、本発明はこの点に関して限定されるものではない。

本発明のスイッチは双安定であるので、中間ビーム２２０は、比較的低い剛性を有するように設計されることができるが、これは、従来のスイッチの場合では、移動可能な電極は、スイッチが開状態にあるとき、自立している必要があるので、そのようにはできないものである。従って、本発明の場合、中間電極の剛性は低くてもよく、これは、非常に低い作動電圧（好ましくはわずか数ボルトのバッテリ電圧よりも低い）を可能とする。さらに、本発明の双安定スイッチは、切替速度の向上をもたらす。従来のスイッチでは、移動可能な電極が接触している電極から離れる速度は、その移動可能な電極のばね接点にのみ依存する。従って、従来のスイッチの切替速度が比較的高速であることが求められる場合は、従って、移動可能な電極は比較的高い剛性を有しなければならず、これはすなわち、高い動作電圧を必要とすることになる。しかし、本発明の双安定スイッチの場合、中間電極２２０が、接触している電極２０、３０から離れることできる速度は、中間電極２２０と、反対側の電極２０、３０との間で電圧を印加することによって向上され、従って、この移動可能な電極は高いばね定数を有する必要はない。

一般に、ＭＥＭＳ素子を備える電子装置の製造プロセスでは、先ず、１つ又は複数の犠牲剥離層３００が設けられ、適切にパターンニングされる。次いで、高温（摂氏４００度としておく）でのアルミニウム層のスパッタリング又はＰＶＤ堆積によって上部層１２が設けられる。この上部層１２は、薄膜の通常の厚さに比べると比較的厚く、一般に１〜１０マイクロメートルである。この層は、基板１４へのどんな相互接続部及び支持構造をも含む（しかし、この点についてはいくつかの異なる構成が想定され、本発明はこの点に関して限定されるものではないことが理解されるであろう）。

次に、上部層１２は、第１の電極３０を画定するように、フォトリソグラフィ及びエッチング、例えば、化学ウェット・エッチングを用いて構造化される。次いで、剥離層３００が、例えば、さらなる化学エッチング段階にて除去され、従って、第１の電極３０及び第３の電極２２０は自立することになる。湿度などが装置の機能性に対して有害な影響を有する傾向があるため、この段階に続いて、ＭＥＭＳ素子１０は気密封止される。かかる封止は、一般にはんだリングによって行われ、これは、先ずはんだを用意し、その後、摂氏約２５０〜３００度でその装置をリフロー炉中を通過させることによりはんだをリフローさせることによって実施される。

次に、図面の図６を参照し、図２の装置の製造方法が簡潔に説明される。基板１４は、高抵抗性シリコン基板１４１の上面に熱酸化物層１４２が設けられている。この上に、アルミニウム製の第１の層が、約０．３μｍの厚さで設けられる。この層は、フォトリソグラフィによって所望のパターンに従って構造化される。この結果、この例では第２の電極２０が分割される。この上に、窒化シリコン製の第１の犠牲層３００がやはり約０．５μｍの厚さで設けられる。この第１の犠牲層３００の上面に、第２の金属層が所望のパターンに従って設けられる。このパターンは、第３の電極２２０を含む。その上に、さらに他の犠牲層３０１が付着され、この層もやはりＰＥＣＶＤを用いて堆積された窒化シリコン製の層である。この層３０１は、例えば１μｍの厚さを有する。望まれる場合には、さらに他の絶縁層３０２（図７に示す）がこの層の上面に付着されてもよい。この付着は、ＭＥＭＳ素子が受動回路網に集積され、且つ、本体１２が他の構成部品を画定するのにも使用されている場合に特に適している。このさらに他の絶縁層３０２は、第１及び第２の犠牲層３００、３０１とは異なる材料、例えば、国際公開ＷＯ０３／０２４８６９から既知のような酸化シリコンもしくは有機化メソポーラスシリカ、又は、ベンゾシクロブテン、又は、フォトレジスト材料を備える。このさらに他の絶縁層３０２は、ＭＥＭＳ素子の領域には存在しないようにパターンニングされることになる。このパターニングの前又は後に、第２の犠牲層３０１は、反応性イオン・エッチングを用いて所望のパターンに従ってパターンニングされることになる。このパターンが、第１及び第２の金属層へのウインドウを形成する。次いで、第３の金属層１２が設けられ、この層はそれらのウインドウをも充填することになる。約１．０〜１．５μｍのＡｌ_．９８Ｃｕ_．０２製のこの金属層には、第１の電極３０を画定するようにビーム状の構造が与えられる。この第１の電極３０は、好ましくはブリッジ構造を有する。その後、さらに他の感光層が付着される。この感光層は、第１及び第２の犠牲層３００、３０１の選択位置にウインドウを形成するようにパターンニングされる。その後、犠牲層３００、３０１は、プラズマ、特にフッ素系プラズマを用いて除去され得る。この場合、基板の上部絶縁層１４２は、かかるプラズマに対するエッチ・ストップ層、例えばＡｌ_２Ｏ_３製の層をさらに備える。別法として、化学ウェット法、又は、化学ウェット・エッチング及び化学ドライ・エッチングの組合せを使用するも可能であることに留意されたい。

上述のように、金属層を被覆している誘電体層２４０、１８０は、中間電極２２０が、固定電極３０、２０の一方に引き寄せられたときに、両電極間で短絡するのを回避するために用いられる。電極３０、２０、２２０を画定するのにアルミニウム（Ａｌ）が使用されている場合、Ａｌ自然酸化物は、誘電体として機能する（実験データから推定されるように、Ａｌ自然酸化物の降伏電圧は７Ｖ超であることに留意されたい）。

図７は、ＭＥＭＳ素子１０、薄膜コンデンサ５０、及び縦型相互接続部６０を備える、本発明の装置の第２の実施形態を示す。この図は、３つの電極３０、２０、２２０を有するＭＥＭＳ素子が、他の構成部品も同様に備える受動回路網内に組み込まれることができ、しかも追加の金属層又は犠牲層を付着させる必要がないという、本発明の有利な特徴を示している。実際には、第１の犠牲層３００が薄膜コンデンサ５０の誘電体としても機能する。薄膜コンデンサ５０の電極５１、５２は、ＭＥＭＳ素子１０の第２及び第３の電極と同じ金属層内に画定されている。第３の金属層１２は、第１の電極３０であるだけでなく、相互接続部でもある。第１及び第２の犠牲層３００、３０１が選択的にエッチング除去されていることが、ここでは特に重要である。それによって、本体１２にはただ１つの開口があるのではなく、複数の開口があるという点、また、この支持構造が、かなりの延長部を有する、すなわち、柱形ではなく、概ね壁形であるという点で改善されている。

図８は、ＭＥＭＳ素子の第３の実施形態の横断面図を示す。図９は、この実施形態の上面図を示し、この図では、第１、第２、及び第３の電極３０、２０、２２０が互いに重なって示されている。ここでは、第３の電極２２０は弾性であり、これはすなわち、駆動電圧の印加によって、その機械力が克服され得ることを意味する。ここでは、第２の電極２０は、複数の三角形区画を含むようにパターンニングされている。その結果、第２の電極２０の表面積は第１の電極３０の表面積とは異なる。この例は可変コンデンサであるので、第１及び第２の電極３０、２０には、誘電性材料の表面層２４０、１８０がさらに設けられている。第３の電極２２０の位置は、諸応力の均衡の結果によるものである。これらの応力には、主に、ファン・デル・ワールス力、電磁力、及び第３の電極２２０の内部機械力が含まれる。この電極２２０は比較的薄く、可撓性であるので、その内部機械力はかなりの程度まで無視することができる。その後、この第３の電極の位置は画定され、第１及び第２の電極３０、２０に印加される電圧の比率を変えることによって変更されることが可能である。第１及び第２の電極３０、２０上に設けられた表面層１８０、２４０、特にその表面粗さが、ファン・デル・ワールス力の強さを大きく決定することになり、この力によって、どんな位置変更に対する抵抗も決まることになる。第２の電極２０が三角形に分割されているため、第２の電極２０と第３の電極２２０との間の正味の静電引力は、その面内座標（ｉｎ ｐｌａｎｅ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ）に依存する。言い換えれば、この三角形の分割によって、第３の電極２２０の一方の端部（図面の左側）が取り込まれる傾向が生じ、この部分が、第１の上部電極３０に付着されることになる。しかし、第３の電極２２０の他方の端部では、第２の電極２０への力が遥かに大きくなり、第３の電極２２０は、第２の電極２０に付着されることになる。これによって、第３の電極２２０が、第２の電極２０と第１の電極３０とのいずれにも決して完全には貼り付かないことが確実になる機構が提供される。

上述の実施形態は、本発明を限定するのではなく、例示するものであり、添付の特許請求の範囲によって規定された本発明の範囲から逸脱することなく、多くの代替実施形態を設計することが当業者には可能であることに留意されたい。特許請求の範囲においては、括弧内に記したどんな参照符号も、この特許請求の範囲を限定するものとして解釈すべきでない。用語「備える」等は、いずれの請求項又は本明細書全体において記載された要素又はステップ以外のものの存在を排除するものではない。ある要素の単数形での引用は、かかる要素の複数での引用を排除するものではなく、その逆も同様である。いくつかの手段を列挙する装置の請求項において、これらの手段のいくつかは、全く同一のハードウェア部品によって具体化することができる。いくつかの策が互いに異なる従属請求項に記載されているが、これらの策を有利に組合せて使用できないと言っているのではない。

切替可能ＭＥＭコンデンサの概略横断面図である。 図１Ａの装置が、シャント構成又は直列構成のいずれかにおいて使用され得ることを示す概略回路図である。 本発明の例示的な実施形態による双安定ＭＥＭＳ素子の概略横断面図である。 図２の装置の動作態様を示す概略回路図である。 図２の装置が、所与の挿入損失で、従来技術による装置に比べて大幅に高いアイソレーションをもたらすことを示すグラフである。 本発明の別の例示的な実施形態によるＭＥＭＳ素子の概略横断面図である。 図２の装置を実現するための製造フローを示す概略図である。 本発明の装置の第２の実施形態の概略横断面図である。 本発明の装置の第３の実施形態の概略横断面図である。 図８に示された第３の実施形態の概略上面図である。

Claims (21)

1. 微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子を備える電子装置であって、前記素子が、第１及び第２の電極と、第１及び反対側の第２の導電性側面を有する中間ビームとを備え、前記第１の側面が前記第１の電極に面すると共に前記第２の側面が前記第２の電極に面し、前記ビームが、前記第１の電極と前記第２の電極との間に駆動電圧を印加することによって移動可能である電子装置であって、
   前記第２の電極と、前記ビームの前記第２の導電性側面とが、中間誘電体と共に、入力と出力との間の信号経路に接続される第１の切替可能コンデンサを形成し、
   前記第１の電極と、前記ビームの前記第１の側面とが、中間誘電体と共に、前記信号経路からグランドへと結合される第２の切替可能コンデンサを形成することを特徴とする電子装置。
2. 前記ビームが第３の電極として具体化される、請求項１に記載の電子装置。
3. 前記第１の電極が前記第２の電極の表面積よりも大きい表面積を有する、請求項１又は２に記載の電子装置。
4. 前記第２の電極が個々の区画に分割される、請求項３に記載の電子装置。
5. 前記各電極が基板にほぼ平行な平面に存在する、請求項１又は２に記載の電子装置。
6. 前記第２の電極が前記ビームと前記基板との間に存在し、前記第１の電極が前記ビームのばね定数よりも実質的に大きいばね定数を有する層中に具体化される、請求項５に記載の電子装置。
7. 前記ビームの前記各導電性側面が前記入力に接続され、前記第１の電極が前記出力として機能する、請求項１に記載の電子装置。
8. 前記第１及び第２の側面のどちらにおいても、前記第３の電極に電気絶縁層が設けられている、請求項２に記載の電子装置。
9. 基板上に設けられた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子を備える電子装置であって、前記基板にほぼ平行な平面に設けられた第１及び第２の電極と、前記第１の電極と第２の電極との間に設けられた中間ビームとを備え、前記中間ビームが第１及び反対側の第２の導電性側面を有し、前記第１の側面が前記第１の電極に面すると共に前記第２の側面が前記第２の電極に面し、前記ビームが、前記第１の電極と前記第２の電極との間に駆動電圧を印加することによって移動可能である電子装置であって、前記第１及び第２の導電性側面が、第３の電極である同じ導電性層の一部分であることを特徴とする電子装置。
10. 前記第２の電極が前記第３の電極と前記基板との間に存在し、前記第１の電極が前記第３の電極のばね定数よりも実質的に大きいばね定数を有する層中に具体化される、請求項９に記載の電子装置。
11. 前記第２の電極に前記第１の電極の表面積よりも小さい表面積が設けられている、請求項９又は１０に記載の電子装置。
12. 前記第２の電極が個々の区画に分割される、請求項１１に記載の電子装置。
13. 前記第３の電極が実質的に弾性であり、従って、第１の表面積を有して前記第２の電極の一方の縁部に、且つ、第２の表面積を有して前記第１の電極の反対側の縁部に付着可能であり、動作電圧の印加によって第１の表面積と第２の表面積との比率が変更可能である、請求項２又は９に記載の電子装置。
14. 前記第１の電極が、インダクタが同じく画定された層中に画定される、請求項６又は１０に記載の電子装置。
15. 前記第１の電極及び前記第３の電極が薄膜コンデンサの複数電極が同じく画定された層中に画定される、請求項２又は９に記載の電子装置。
16. 前記第１の電極が、前記基板上で、複数支持スペーサを有するブリッジとして構築されることを特徴とする、請求項６又は１０に記載の電子装置。
17. 前記第１の電極は、膜状又はブリッジ状の構造に水平に接続された多くのビームにより、前記基板上に支持された前記構造の一部分であり、前記基板にほぼ垂直な方向に制御の基の前記第１の電極を移動可能とするばね様の機能性を含む、請求項６又は１０に記載の電子装置。
18. 前記ＭＥＭＳ素子がインピーダンス整合回路網の一部分である、請求項１又は９に記載の電子装置。
19. 電力増幅器と前記請求項のいずれかに記載の電子装置とが設けられたフロントエンド・モジュール。
20. 駆動電圧によって、前記ビームが前記第１の電極の方へ又は前記第１の電極から駆動される、請求項１から１８のいずれか一項に記載の電子装置の、ＲＦ応用分野における使用。
21. 作動電圧の印加によって請求項１から１８のいずれかに記載の電子装置を駆動する方法。

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