JP3636022B2 - マイクロマシンスイッチ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロマシンスイッチに関し、特にＤＣ（直流）からギガヘルツ以上の広い信号周波数をオン／オフ可能とするマイクロマシンスイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ロックウェル・インターナショナル・コーポレイションのユン・ジェイソン・ヤオの「微細電気機械スイッチ」（特開平９−１７３００号公報）に記載の発明を例にして、従来技術を説明する。
【０００３】
図１８は、特開平９−１７３００号公報に開示されたマイクロマシンスイッチの平面図（ａ）およびそのＥ−Ｅ’線断面図を示す。同図に示すように、ガリウムヒ素からなる基板５１上には、熱硬化ポリイミドからなるアンカー構造５２と、金からなる下部電極５３と、金からなる信号線５４とが設けられている。
【０００４】
そして、アンカー構造５２の上にはシリコン酸化膜からなる片持ちアーム５５が設けられ、この片持ちアーム５５は、下部電極５３を越えて信号線５４の位置まで延在しており、これらと空間的な隙間を介して対向している。
【０００５】
片持ちアーム５５の上側には、アルミからなる上部電極５６がアンカー構造５２から下部電極５３に対向する位置まで作製されている。また、片持ちアーム５５の下側には、信号線５４に対向する位置に金からなる接触電極５７が設けられている。
【０００６】
さて、このような構造をしたマイクロマシンスイッチにおいて、上部電極５６と下部電極５３との間に３０Ｖの電圧を印加すると、静電気力により上部電極５６に基板方向（矢印５８の下向き）に引力が働く。このため、片持ちアーム５５が基板側に変形し、接触電極５７が信号線５４の両端と接触する。
【０００７】
通常の状態では、図１９（ｂ）に示すように、接触電極５７と信号線５４との間には隙間が設けられ、したがって２本の信号線５４は互いに切り離されている。このため、下部電極５３に電圧が印加されない状態では、信号線５４に電流は流れない。
【０００８】
しかし、下部電極５３に電圧が印加されて接触電極５７が信号線５４と接触した状態では、２本の信号線５４は短絡し、両者の間を電流が流れることができる。したがって、下部電極５３への電圧印加によって、信号線５４を通る電流あるいは信号のオン／オフを制御することができる。
【０００９】
ただし、スイッチの損失を低減させるためには、上部電極５６と接触電極５７とが電気的に十分に絶縁されていることが重要である。すなわち、もし上部電極５６と接触電極５７が電気的に短絡していれば、信号線５４を流れる信号（ＤＣを含む）が上部電極５６にも流れ出てしまう。
【００１０】
また、上部電極５６と接触電極５７とが短絡していなくとも、静電容量がかなり大きいような状態では、信号線５４を流れる交流信号がやはり上部電極５６に流れて外部に漏洩する。
このように、上部電極５６と接触電極５７との絶縁が十分でないときには、信号の漏れが大きくなり、スイッチの特性が悪くなる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来のマイクロマシンスイッチには、以下の問題点があることが判明した。
スイッチをオンさせる（すなわち、接触電極５７が信号線５４に接触する）ためには、片持ちアーム５５の復元力に勝る静電気力を発生するように、上部電極５６と下部電極５３との間に充分な電圧を印加させることが必要である。その際、この静電気力は、上部電極５６と下部電極５３との間の距離（正確にはこの距離から片持ちアーム５５の厚さを減じた値）の二乗に反比例するため、両者の電極間の距離を小さく設計することが重要である。
【００１２】
ところで、従来例の構造では、図１８（ｂ）に示すように上部電極５６と下部電極５３との間の距離は、片持ちアーム５５の厚さに加え、さらに接触電極５７と信号線５４との間の距離よりも接触電極５７の厚さだけ大きくなる。例えば、高周波応用において信号の損失を少なくするためには、接触電極５７および信号線５４の厚さを２μｍ程度にする必要がある。
【００１３】
また、オフ時に信号線５４と接触電極５７との静電容量的結合を小さくするため、両者を４μｍ以上離した構成にする必要がある。このため、上部電極５６と下部電極５３とは、片持ちアーム８の厚さに加えて６μｍ程度離して配置されることになる。
【００１４】
このとき、上部電極５６と下部電極５３との重なる領域を１０，０００μｍ2 とし、片持ちアーム８の幅を２０μｍ、長さを１３０μｍで設計すると約１００Ｖもの高い電圧が必要とされることが、本願発明者等によって確認された。もちろん、片持ちアーム８の長さを長くしたり、幅を小さくしたりすることにより、片持ちアーム８の復元力を小さくするように設計することも可能であるが、これはデバイスの作製途中あるいはデバイスの動作中に片持ちアーム８が破損してしまうおそれがある。
【００１５】
一方、上部電極５６と下部電極５３との重なる領域を大きくすることにより、大きな静電気力を発生させることができ、印加電圧を低減させることが可能であるが、それではデバイス全体が大きくなってしまう。従来例ではこのような方法で印加電圧の低減を実現しているが、この方法は明らかにデバイス全体の寸法が大きくなるという代償を払ったものであり、スイッチの小型化に関して大きな限界がある。
【００１６】
また、１００Ｖもの高い電圧が必要とされることから、絶縁破壊によりデバイスが破壊されないように、片持ちアーム８の膜質を良質なものにすることが必要とされる。しかし、従来例のように、金からなる接触電極５７の上に酸化膜の片持ちアーム８を低温堆積プロセス（２５０℃以下のプラズマＣＶＤプロセス）によって作製するような方法では、充分の耐圧特性を持った酸化膜を形成することは困難である。
【００１７】
また、印加電圧が高くなると、駆動用の回路で消費される電力が増大するため、特に多数のスイッチを配列するというアンテナ等の用途に従来例のマイクロスイッチを応用することができないことがわかった。
【００１８】
さらに、従来の製造工程においては、接触電極に反りが生じて信号線に対して片当たりするという問題点があった。
【００１９】
本発明は、このような課題を解決するためのものであり、従来よりも低い駆動電圧で動作可能なマイクロマシンスイッチを提供することを主な目的とする。
また、本発明は、印加電圧を下げることができない場合に備え、絶縁体膜の耐圧特性を上昇させることによってデバイス特性を改善することをその他の目的とする。
さらに、本発明は接触電極の反りを小さく抑えることをその他の目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明に係るマイクロマシンスイッチの一態様は、基板上に設けられた第１の信号線と、前記基板上に設けられかつ前記第１の信号線の端部から所定のギャップを隔てて端部の設けられた第２の信号線との間の導通／非導通を制御するマイクロマシンスイッチにおいて、前記基板上に設けられた支持部材と、この支持部材に接続してかつ一部が前記ギャップと対向するように前記基板上に空間を隔てて設けられた梁部材と、この梁部材の前記基板側における少なくとも前記ギャップと対向する位置に設けられた接触電極と、前記基板上に前記梁部材の一部と対向して設けられた下部電極と、前記梁部材に前記下部電極と対向して設けられた中間電極とを備え、前記梁部材は、前記接触電極が設けられた面の反対側の面に、前記接触電極と対向して前記支持部材と絶縁された補強部材が設けられ、さらに、前記梁部材は、前記支持部材との接続部分から少なくとも前記下部電極と対向する位置までの領域が導電性部材からなり、この導電性部材から前記接触電極までの領域が絶縁性部材のみからなるものである。
【００２６】
このように本発明は、中間電極を設けることにより、上部電極と下部電極との間の距離を実質的に短くすることにより、スイッチの駆動電圧を低減させるものである。
例えば、接触電極と同じ厚さの中間電極を絶縁体膜を挟んで上部電極の下側に設ける。この中間電極は外部の電圧回路と直接接続されていないとする。上部電極と下部電極との間に電圧（Ｖ）を印加したときには、中間電極の電位は以下の式から計算される。
【００２７】
Ｖ・Ｃ1 ／（Ｃ1 ＋Ｃ2 ）
【００２８】
ここで、中間電極と上部電極との間の静電容量をＣ1 、中間電極と下部電極との間の静電容量をＣ2 とした。Ｃ1 はＣ2 よりも大きいので、中間電極の電位はほぼ上部電極と等しい値となる。
【００２９】
この中間電極を上述の従来例のケースに当てはめると、中間電極と下部電極との間の距離は、接触電極と信号線との間の距離の４μｍに等しい。このとき、電圧を印加する電極の距離が実質的に２／３（＝４［μｍ］／６［μｍ］）に減少するため、必要とされる電圧も約６７Ｖと従来例の２／３に減少させることが可能となる。
【００３０】
さらに、この中間電極は、接触電極の作製と同時に作製することができるため、デバイスの製造コストを少しも上昇させないという長所があることが特筆される。中間電極の構造は、以下の実施例で詳しく述べるように種々の変更が可能であり、それぞれ大きな特徴を有する。
【００３１】
このように本発明は、従来よりも低い印加電圧で駆動させることができるとともに、絶縁体膜の耐圧特性を上昇させることによってデバイス特性を改善することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について参考例を交えながら説明する。
【００３３】
［参考例１］
図１は、参考例１の平面図（ａ）およびそのＡ−Ａ’線断面図（ｂ）を示す。同図に示すように、本参考例では、誘電率の大きなガラス製の基板１上に、シリコンからなるスイッチ本体部１４と、金からなる下部電極４と、金からなる信号線３が設けられている。また、基板１の裏面にはアース板２が形成されている。
【００３４】
スイッチ本体部１４は、支持部材７と、片持ちアーム８と、上部電極９との一体構造となっている。支持部材７からは、シリコンからなる二本の片持ちアーム８が基板面に対してほぼ水平に延びている。二本の片持ちアーム８は、従来例における一本のアームと比べてアームの回転運動を低く抑えることができ、スイッチの片当たり接触を防止するのに役立つ。ただし、条件に応じて片持ちアーム８の本数を変えればよいのであって、本参考例には１本および２本以上の片持ちアーム８を有する構造が含まれる。
【００３５】
ところで、支持部材７と片持ちアーム８と接続部分においては、その表面におけるなす角α，βが、それぞれ鈍角（９０°＜α，β＜１８０°）となるように調整することが好ましい。このようにすることにより、片持ちアーム８の強度を高めることができ、１ＭＨｚ以上といった高周波数のスイッチング動作を可能とする。
【００３６】
片持ちアーム８の先端には、シリコンからなる上部電極９が設けられている。上部電極９は、下部電極４と空間的な隙間を介して対向している。
支持部材７は、基板１上に形成されている信号線３ａに接続されており、この信号線３ａは、支持部材７および片持ちアーム８を介して上部電極９と電気的に接続されている。
【００３７】
また、二酸化シリコンあるいは窒化シリコン膜等の絶縁体膜からなる絶縁性部材６が、上部電極９の下面に下部電極４と対向する位置から信号線３に対向する位置にかけて設けられている。この信号線３に対向する絶縁性部材６の下側の位置には、金からなる接触電極５が設けられている。同様に、下部電極４と対向するようにして絶縁性部材６上には、中間電極１５が設けられている。
【００３８】
このように絶縁性部材６を設けることにより、接触電極５と上部電極９との短絡を防止することができる。ただし、絶縁性部材６は、最低限接触電極５と上部電極９との間、および、中間電極１５と上部電極９との間にあればよい。なお、高周波信号をスイッチングする場合は、信号線３と容量結合可能な範囲で接触電極５の表面を絶縁体膜で覆っていてもよい。逆に信号線３を絶縁体膜で覆っても構わない。
【００３９】
このように、接触電極５と対向する絶縁性部材６の上側には、片持ちアーム８よりも厚みのある上部電極９が設けられているため、接触電極５と絶縁性部材６との間に生じる歪みによる反りを小さく抑えることができる。したがって、接触電極５は絶えず基板１に対して平行な状態を保つことができ、片当たりによる接触抵抗の増大を抑えることができる。なお、片持ちアーム８と上部電極９と絶縁性部材６とから梁部材が構成される。
【００４０】
ここで、本参考例の動作について説明する。
信号線３ａを介して上部電極９と下部電極４との間に７０Ｖの電圧を印加すると、静電気力により上部電極９に基板方向（下向き）に引力が働く。このため、片持ちアーム８が下側に湾曲して接触電極５が信号線３と接触するようになる。
【００４１】
信号線３は、図１（ｂ）に示すように接触電極５に対向する位置に隙間が設けられている。このため、電圧が印加されない状態では信号線３に電流は流れないが、電圧が印加されて接触電極５が信号線３と接触した状態では信号線３を電流が流れることができる。このように、下部電極４への電圧印加によって信号線３を通る電流あるいは信号のオン／オフを制御することができる。また、３０ＧＨｚの信号を扱った場合、従来のＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）スイッチでの挿入損失が３〜４ｄＢであったのに対し、本実施の形態のスイッチでは２．５ｄＢという結果が得られた。
【００４２】
このように本参考例では、上部電極９は導電性の片持ちアーム８を介して導電性の支持部材７と電気的に接続されているため、上部電極９への電圧印加を容易に行うことができる。ただし、上部電極９は電気的に浮遊した状態であっても構わない。その場合、信号線３ａは不要であり、スイッチを動作させるためには下部電極４に電圧を印加するだけでよい。
【００４３】
また、支持部材７と片持ちアーム８と上部電極９とを、不純物が一部あるいは全体に拡散された半導体で作製することができる。その場合、スイッチの動作時に上部電極９と下部電極４との間に流れる電流は、極めて小さなものであるから、これら半導体の不純物の含有量を精密に制御する必要はない。
【００４４】
また、以下の作製方法に述べるように片持ちアーム８の厚さを、他の構成要素に比べて薄く制御することも容易である。このように個々の要素の厚さを制御することによって、剛性の大きな構成要素の中に柔らかい片持ちアーム８を作製することができる。したがって、剛性の大きな要素では電圧印加時の変形が基板１に対して水平に行われ、変形のほとんどが薄い片持ちアーム８によってなされることになる。これは、スイッチの片当たりを低く抑えることに役立つものである。
【００４５】
ただし、上部電極９の厚さを、片持ちアーム８と同じにしたものも本発明に含むことができる。このような構造は、作製方法が簡略化されるという長所がある。
【００４６】
なお、本参考例の代表的な寸法は、表１のとおりである。
【００４７】
【表１】
【００４８】
ここで、幅は図１（ａ）の平面図に対して縦方向の長さ、長さは図１（ａ）の平面図に対して横方向の長さ、厚さは図１（ｂ）の断面図に対して縦方向の長さをそれぞれ示す。また、中間電極１５と下部電極４との距離は、４μｍとしている。
しかし、これら寸法は個々の応用に応じて設計すべきものであり、上述の数値に限定されるものではない。本発明においては、その増大した設計自由度により、広い範囲の設計が可能である。例えば、中間電極１５の厚さを接触電極５よりも少し薄く設計すると、接触電極５と信号線３との接触の力が大きくなり、両者の接触抵抗が減少する。これは、特にＤＣ信号をオン／オフするスイッチに適した設計であるといえる。
【００４９】
また、中間電極１５の厚さを接触電極５よりも少し厚く設計すると、接触電極５はスイッチのオンのときでも信号線３と直接接触することがなくなる。しかし、高周波応用では抵抗接触は必ずしも必要でなく、容量型の接触でも信号を伝えることが可能であるため、接触電極５が直接信号線３に触れなくてもよい。この場合には、接触電極５が信号線３と直接ふれないため、機械的な摩耗を低く押さえることが可能であり、スイッチの寿命を長く保つことができるという利点がある。
【００５０】
さらに、スイッチの駆動方法として、上部電極９に電気的短絡した支持部材７と下部電極４との間に電圧を印加する例を示したが、支持部材７の電位を必ずしも固定せずに、下部電極４だけに電圧を印加するだけでスイッチの動作は可能である。このとき、支持部材７（すなわち、上部電極９）の電位は、固定されずに浮いた状態である。このような状態では、通常、上部電極９は周囲の電位に影響された電圧となり、周囲にグランド線を配置することによってグランド電圧に近い状態とすることが可能である。なお、グランド線の配置は、一般的にスイッチ本体部１４の近くに設けられるのが普通である。
このように、支持部材７の電位を浮遊させた場合、支持部材７に配線を設ける手間が省けるため、全体としてデバイスの配線が簡略化されるという利点がある。
【００５１】
ここで、図１に係るマイクロマシンスイッチの製造工程について図を参照して説明する。
図２，３は、図１に係るマイクロマシンスイッチの製造工程を示す断面図である。製造工程について順次説明する。
【００５２】
まず、図２（ａ）に示すように、シリコンからなる基板１１に二酸化シリコン膜からなるパタン１２を形成し、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）等のエッチング液を用いて基板１１を約６μｍほどエッチングする。
ここで、基板１１としては（１００）面を主面とするシリコンを用いた場合、エッチング速度の面方位依存性により、エッチング後は（１１１）面が側面に露出した台形となる。
【００５３】
次いで、図２（ｂ）に示すように、新たにパタン１３を基板１上に形成し、このパタン１３をマスクにしてマスクの無い領域にボロンを拡散させ、その後、ボロンの深い拡散を行うため、例えば１１５０℃で１０時間ほど熱拡散を実施する。このとき、高濃度のボロンが約１０μｍの深さまで拡散される。その結果、支持部材７と上部電極９とが作製される。
【００５４】
次いで、図２（ｃ）に示すように、片持ちアーム８に対応する領域のパタン１３を除去してから、残ったパタン１３をマスクにしてマスクの無い領域にボロンを拡散させる。その結果、支持部材７，片持ちアーム８および上部電極９からなるスイッチ本体部１４ができあがる。
なお、今回はボロンの浅い拡散を行うため、例えば１１５０℃で２時間ほど熱拡散を実施する。このとき、高濃度のボロンが約２μｍ深さまで拡散される。
【００５５】
次いで、図２（ｄ）に示すように、上部電極９に二酸化シリコン１μｍおよび窒化膜０．０５μｍからなる絶縁性部材６を作製する。
【００５６】
次いで、図３（ｅ）に示すように、絶縁性部材６上に金メッキを用いて接触電極５および中間電極１５を作製する。
【００５７】
次いで、図３（ｆ）に示すように、このようにして作製された基板１１を、金からなる下部電極４および金からなる信号線３，３ａの形成されたガラス製の基板１に載置する。この基板１は上述のシリコンプロセスとは別個の工程で予め作製しておく。その後、支持部材７を基板１上に接着する。このとき、シリコンとガラスとの接着には、静電接着技術を利用することができる。
【００５８】
最後に、図３（ｇ）に示すように、基板１１をエチレンジアミンピロカテコール等のボロン濃度選択性が大きいエッチング液に投入し、ボロンが拡散されていない部分を溶解する。その結果、基板１上にマイクロマシンスイッチを作製することができる。
【００５９】
なお、基板１がセラミックあるいはガリウムヒ素等で形成されているのであれば、接着剤を用いて支持部材７とこれらの基板とを接着させることも可能である。もしくは、これら基板の表面にガラスを２〜５μｍ程度スパッタしておくと、静電接着技術を使うことも可能である。
【００６０】
以上のように本参考例では、単結晶シリコン基板をエッチングすることによって片持ちアーム８等からなるスイッチ本体部１４を作製している。このように、本参考例は材料として単結晶体を利用することにより、機械特性として最も信頼性のおける構造体を作製することができるという利点がある。
【００６１】
また、片持ちアーム８を単結晶体のみで作製しているため、従来例のように複数の材料を張り合わせた構造に比べ、熱膨張係数に起因する反りが発生することはない。すなわち、片持ちアーム８の基板１の面に対して直交する方向に沿った熱膨張係数の変化を、基板面側とその反対面側とで互いに対称とすることにより、反りの発生を抑制している。
【００６２】
一方、ここに述べた方法以外にも、基板１上に種々の薄膜を堆積して選択エッチングを利用し、本発明の構造をもつスイッチを作製することも可能である。例えば、スイッチ本体部１４を単結晶シリコンではなく、アモルファスシリコン、ポリシリコンまたは高抵抗の半導体材料（ＧａＡｓ，鉄をドープしたＩｎＰ等）を使って作製してもよい。また、スイッチ本体部１４を半導体ではなく、金やアルミニウム等の金属を使って作製してもよい。
【００６３】
［第１の実施の形態］
図４は、本発明の第１の実施の形態の平面図（ａ）およびそのＢ−Ｂ’線断面図（ｂ）を示す。同図に示すように、本実施の形態では、誘電率の大きなガラス製の基板１上に、シリコンからなる支持部材７と、金からなる下部電極４と、金からなる信号線３が設けられている。また、基板１の裏面にはアース板２が形成されている。
【００６４】
スイッチ本体部１４は、支持部材７と、片持ちアーム８と、上部電極９との一体構造となっている。支持部材７からは、シリコンからなる二本の片持ちアーム８が基板面に対してほぼ水平に延びている。二本の片持ちアーム８は、従来例における一本のアームと比べてアームの回転運動を低く抑えることができ、スイッチの片当たり接触を防止するのに役立つ。ただし、条件に応じて片持ちアーム８の本数を変えればよいのであって、本発明には１本および２本以上の片持ちアーム８を有する構造が含まれる。
【００６５】
ところで、支持部材７と片持ちアーム８との接続部分においては、その表面におけるなす角α，βが、それぞれ鈍角（９０°＜α，β＜１８０°）となるように調整することが好ましい。このようにすることにより、片持ちアーム８の強度を高めることができ、１ＭＨｚ以上といった高周波数のスイッチング動作を可能とする。
【００６６】
片持ちアーム８の先端には、シリコンからなる上部電極９が設けられている。上部電極９は、下部電極４と空間的な隙間を介して対向している。
支持部材７は、基板１上に形成されている信号線３ａに接続されており、この信号線３ａは、支持部材７および片持ちアーム８を介して上部電極９と電気的に接続されている。
【００６７】
また、二酸化シリコンあるいは窒化シリコン膜等の絶縁体膜からなる絶縁性部材６が、上部電極９の下面から始まって信号線３に対向する位置まで延びている。この信号線３に対向する絶縁性部材６の下側の位置には、金からなる接触電極５が設けられている。同様に、下部電極４と対向するようにして絶縁性部材６上には、中間電極１５が設けられている。なお、高周波信号をスイッチングする場合は、信号線３と容量結合可能な範囲で接触電極５の表面を絶縁体膜で覆ってもよい。逆に信号線３を絶縁体膜で覆っても構わない。
【００６８】
接触電極５と対向する絶縁性部材６の上側には、シリコンからなる補強部材１０が設けられている。これは、接触電極５と絶縁性部材６との間に生じる歪みによる反りを小さく抑えるために設けられたものである。このように、補強部材１０を設けることにより、接触電極５は絶えず基板１に対して平行な状態を保つことができ、片当たりによる接触抵抗の増大を抑えることができる。なお、補強部材１０は、絶縁性部材６の材料や膜厚等によっては必ずしも必要ではなく、これがない構造も本発明に含まれる。なお、片持ちアーム８と上部電極９と絶縁性部材６とから梁部材が構成される。
【００６９】
ここで、本実施の形態の動作について説明する。
上部電極９と下部電極４との間に３０Ｖの電圧を印加すると、静電気力により上部電極９に基板方向（下側）に引力が働く。このため、片持ちアーム８が下側に湾曲して接触電極５が信号線３と接触するようになる。
【００７０】
信号線３は、図４（ｂ）に示すように接触電極５に対向する位置に隙間が設けられている。このため、電圧が印加されない状態では信号線３に電流は流れないが、電圧が印加されて接触電極５が信号線３と接触した状態では信号線３を電流が流れることができる。このように、下部電極４への電圧印加によって信号線３を通る電流あるいは信号のオン／オフを制御することができる。また、３０ＧＨｚの信号を扱った場合、従来のＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）スイッチでの挿入損失が３〜４ｄＢであったのに対し、本実施の形態のスイッチでは０．２ｄＢという結果が得られた。
【００７１】
本実施の形態では、上部電極９は導電性の片持ちアーム８を介して導電性の支持部材７と電気的に接続されているため、上部電極９への電圧印加を容易に行うことができる。ただし、上部電極９は電気的に浮遊した状態であっても構わない。その場合、信号線３ａは不要であり、スイッチを動作させるためには下部電極４に電圧を印加するだけでよい。
【００７２】
また、支持部材７と片持ちアーム８と上部電極９と補強部材１０とは、不純物が一部あるいは全体に拡散された半導体から作製することができる。その場合、スイッチの動作時に上部電極９と下部電極４との間に流れる電流は、極めて小さなものであるから、これら半導体の不純物の含有量を精密に制御する必要はない。
【００７３】
また、以下の作製方法に述べるように片持ちアーム８の厚さを、他の構成要素に比べて薄く制御することも容易である。このように個々の要素の厚さを制御することによって、剛性の大きな構成要素の中に柔らかい片持ちアーム８を作製することができる。
剛性の大きな要素では電圧印加時の変形が基板１に対して水平に行われ、変形のほとんどが薄い片持ちアーム８によってなされることになる。これは、スイッチの片当たりを低く抑えることに役立つものである。
【００７４】
ただし、上部電極９および補強部材１０の厚さを、片持ちアーム８と同じにしたものも本発明に含むことができる。このような構造は、作製方法が簡略化されるという長所がある。
【００７５】
なお、本実施の形態の代表的な寸法は、表２のとおりである。
【００７６】
【表２】
【００７７】
ここで、幅は図４（ａ）の平面図に対して縦方向の長さ、長さは図４（ａ）の平面図に対して横方向の長さ、厚さは図４（ｂ）の断面図に対して縦方向の長さをそれぞれ示す。また、中間電極１５と下部電極４との距離は、４μｍとしている。
しかし、これら寸法は個々の応用によって設計すべきものであり、上述の数値に限定されるものではない。本発明においては、その増大した設計自由度により、広い範囲の設計が可能である。例えば、中間電極１５の厚さを接触電極５よりも少し薄く設計すると、接触電極５と信号線３との接触の力が大きくなり、両者の接触抵抗が減少する。これは、特にＤＣ信号をオン／オフするスイッチに適した設計であるといえる。
【００７８】
また、中間電極１５の厚さを接触電極５よりも少し厚く設計すると、接触電極５はスイッチのオンのときでも信号線３と直接接触することがなくなる。しかし、高周波応用では抵抗接触は必ずしも必要でなく、容量型の接触でも信号を伝えることが可能であるため、接触電極５が直接信号線３に触れなくてもよい。この場合には、接触電極５が信号線３と直接ふれないため、機械的な摩耗を低く押さえることが可能であり、スイッチの寿命を長く保つことができるという利点がある。
【００７９】
さらに、スイッチの駆動方法として、上部電極９に電気的短絡した支持部材７と下部電極４との間に電圧を印加する例を示したが、支持部材７の電位を必ずしも固定せずに、下部電極４だけに電圧を印加するだけでスイッチの動作は可能である。このとき、支持部材７（すなわち、上部電極９）の電位は、固定されずに浮いた状態である。このような状態では、通常、上部電極９は周囲の電位に影響された電圧となり、周囲にグランド線を配置することによってグランド電圧に近い状態とすることが可能である。なお、グランド線の配置は、一般的にスイッチ本体部１４の近くに設けられるのが普通である。
このように、支持部材７の電位を浮遊させた場合、支持部材７に配線を設ける手間が省けるため、全体としてデバイスの配線が簡略化されるという利点がある。
【００８０】
ここで、図４に係るマイクロマシンスイッチの製造工程について図を参照して説明する。
図５，６は、図４に係るマイクロマシンスイッチの製造工程を示す断面図である。製造工程について順次説明する。
【００８１】
まず、図５（ａ）に示すように、シリコンからなる基板１１に二酸化シリコン膜からなるパタン１２を形成し、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）等のエッチング液を用いて基板１１を約６μｍほどエッチングする。
ここで、基板１１としては（１００）面を主面とするシリコンを用いた場合、エッチング速度の面方位依存性により、エッチング後は（１１１）面が側面に露出した台形となる。
【００８２】
次いで、図５（ｂ）に示すように、新たにパタン１３を基板１上に形成し、このパタン１３をマスクにしてマスクの無い領域にボロンを拡散させ、その後、ボロンの深い拡散を行うため、例えば１１５０℃で１０時間ほど熱拡散を実施する。このとき、高濃度のボロンが約１０μｍの深さまで拡散される。その結果、支持部材７と上部電極９と補強部材１０とが作製される。
【００８３】
次いで、図５（ｃ）に示すように、片持ちアームに対応する領域のパタン１３を除去してから、残ったパタン１３をマスクにしてマスクの無い領域にボロンを拡散させる。その結果、支持部材７，片持ちアーム８および上部電極９からなるスイッチ本体部１４ができあがる。
なお、今回はボロンの浅い拡散を行うため、例えば１１５０℃で２時間ほど熱拡散を実施する。このとき、高濃度のボロンが約２μｍ深さまで拡散される。
【００８４】
次いで、図５（ｄ）に示すように、上部電極９から補強部材１０にかけて、二酸化シリコン１μｍおよび窒化膜０．０５μｍからなる絶縁性部材６を作製する。
【００８５】
次いで、図６（ｅ）に示すように、補強部材１０に対向する絶縁性部材６上に金メッキを用いて接触電極５および中間電極１５を作製する。
【００８６】
次いで、図６（ｆ）に示すように、このようにして作製された基板１１を、金からなる下部電極４および金からなる信号線３，３ａの形成されたガラス製の基板１に載置する。この基板１は上述のシリコンプロセスとは別個の工程で予め作製しておく。その後、支持部材７を基板１上に接着する。このとき、シリコンとガラスとの接着には、静電接着技術を利用することができる。
【００８７】
最後に、図６（ｇ）に示すように、基板１１をエチレンジアミンピロカテコール等のボロン濃度選択性が大きいエッチング液に投入し、ボロンが拡散されていない部分を溶解する。その結果、基板１上にマイクロマシンスイッチを作製することができる。
【００８８】
なお、基板１がセラミックあるいはガリウム砒素等で形成されているのであれば、接着剤を用いて支持部材７とこれらの基板とを接着させることも可能である。もしくは、これら基板の表面にガラスを２〜５μｍ程度スパッタしておくと、静電接着技術を使うことが可能である。
【００８９】
以上のように本実施の形態では、単結晶シリコン基板をエッチングすることによって片持ちアーム７等からなるスイッチ本体部１４を作製している。このように、本実施の形態は材料として単結晶体を利用することにより、機械特性として最も信頼性のおける構造体を作製することができるという利点がある。
【００９０】
また、片持ちアーム８を単結晶体のみで作製しているため、従来例のように複数の材料を張り合わせた構造に比べ、熱膨張係数に起因する反りが発生することはない。すなわち、片持ちアーム８の基板１の面に対して直交する方向に沿った熱膨張係数の変化を、基板面側とその反対面側とで互いに対称とすることにより、反りの発生を抑制している。
【００９１】
一方、ここに述べた方法以外にも、基板１上に種々の薄膜を堆積して選択エッチングを利用し、本発明の構造をもつスイッチを作製することも可能である。例えば、スイッチ本体部１４および補強部材１０を単結晶シリコンではなく、アモルファスシリコン、ポリシリコンまたは高抵抗の半導体材料（ＧａＡｓ，鉄をドープしたＩｎＰ等）を使って作製してもよい。また、スイッチ本体部１４および補強部材１０を半導体ではなく、金やアルミニウム等の金属を使って作製してもよい。
【００９２】
［第２の実施の形態］
図７は、本発明の第２の実施の形態の平面図（ａ）および断面図（ｂ）を示す。同図に示すように、図４と同一符号の構成要素は、同一または同等の構成要素であることを示している。
【００９３】
本実施の形態では、絶縁性部材６ｂが上部電極９の端面から延びている点が、第１の実施の形態と大きく異なる点である。この絶縁性部材６ｂは、酸化膜、窒化膜等の絶縁薄膜によって形成することもできるが、上部電極９と同一の半導体材料を使って形成することが可能である。その場合、例えば高抵抗の半導体材料（ＧａＡｓ，鉄をドープしたＩｎＰ等）で絶縁性部材６ｂを除く支持部材７，片持ちアーム８および上部電極９のみに不純物を拡散して抵抗を下げるという方法、または、絶縁性部材６ｂの領域に酸素等のイオンを打ち込んで抵抗を高くする方法等を利用することができる。本実施の形態には、補強部材１０を接触電極５に対向する位置に設けているが、これがない構造も本発明に含まれる。
【００９４】
また、補強部材１０は、低抵抗または高抵抗の何れであってもよい。
また、本実施の形態では、上部電極９の下側に絶縁性部材６ｂとは別個に絶縁性部材６ａが設けられている。これは、上部電極９と下部電極４との間に電圧を印加したとき、互いに接触して短絡が起こらないようにするためである。この絶縁性部材６ａの厚さは、接触電極５よりも薄くすることが望ましい。
【００９５】
また、本実施の形態では、第１の実施の形態のものと比べて、絶縁性部材６ｂが基板１に対して上側に位置するようになったため、接触電極５と信号線３との隙間が大きく取れるようになる。このため、オフ時の静電容量が小さくなり、オフ時の漏れ電流を小さく抑えることが可能となる。
【００９６】
以上の実施の形態では、基板１の具体例としてガラス基板をあげて説明した。ガラス基板はガリウムヒ素基板に比べて安価であり、多数のスイッチを集積化することが要求されるフェーズドアレイアンテナ等の応用において有望な材料である。しかし、本発明の構造はこれに限られるものではなく、ガリウムヒ素、シリコン、セラミック、プリント基板等においても有効である。
【００９７】
また、上部電極９に穴を開けることにより、上部電極９と下部電極４との間に存在する空気によるスクイーズ効果を減少させる手法も本発明に含まれる。本発明では、上部電極９および補強部材１０によって絶縁性部材６ｂの強度を補強することが容易である。このため、内部に複数個の穴を設けたとしても、可動部全体の剛性は十分に大きく保つことが可能である。
さらに、絶縁性部材６ｂ，接触電極５および補強部材１０にも穴をあけ、空気を通しやすくするとスクイーズ効果を著しく抑えることが可能である。
【００９８】
［参考例２］
図８は、参考例２を示す断面図である。同図において、図１における同一符号のものは同一または同等の構成要素を示す。図８に示すように、本参考例は信号線３を挟んで２個の支持部材７を基板１上に配設している。したがって、上部電極９は各支持部部材７からそれぞれ延びている片持ちアーム８に接続され、両側で支持した構造となっている。また、十分な静電気力を発生させるため、上部電極９の下には信号線３を挟んで２個所に下部電極４が配設されている。
【００９９】
このように、複数の支持部材７を使って上部電極９を支持した構成も、本発明に含まれる。また、支持部材７の個数をさらに増やして２個以上にしてもよく、そのような構造も本発明に含まれる。
【０１００】
［参考例３］
図９は、参考例３を示す断面図である。同図において、図１における同一符号のものは同一または同等の構成要素を示す。図９に示すように、本参考例はスイッチ本体部１４の表面を酸化させるなどし、片持ちアーム８を、シリコン層８ａとそれを両側から挟む酸化シリコン層８ｂとかなる構造にしたものである。このように、両側の酸化シリコン層８ｂの厚さを等しくしてやれば、基板１側とその反対側の熱膨張係数は対称となるため、高温処理を行っても片持ちアーム８の反りは抑制される。
【０１０１】
［参考例４］
図１０は、参考例４を示す断面図である。同図において、図９における同一符号のものは同一または同等の構成要素を示す。図１０に示すように、本参考例は片持ちアーム８を２種以上の材料からなる薄膜を交互に積層した超格子構造を有するものである。上述の参考例３と同様に、本参考例においても、基板１側の熱膨張係数とその反対側の熱膨張係数とを対称にすることができるため、温度変化による片持ちアーム８のそりを抑制することができる。
【０１０２】
［第３の実施の形態］
図１１は、本発明の第３の実施の形態を示す平面図（ａ）およびそのＤ−Ｄ’線断面図（ｂ）である。同図において、図４における同一符号のものは同一または同等の構成要素を示す。図１１に示すように、本実施の形態は、中間電極１５が絶縁性部材６の一部に設けられた開口中の埋め込み配線１８を介して、上部電極４に短絡している。また、中間電極１５および接触電極５の表面が、それぞれ絶縁体膜１６および１７によって被覆されていることが第１の実施の形態と異なる点である。
【０１０３】
中間電極１５が上部電極９と短絡しているため、中間電極１５の電位は上部電極９の電位と全く同じである。中間電極１５の上の絶縁体膜１６は、中間電極１５と下部電極４とが短絡することを防止するために設けられたものである。そして、接触電極５の上の絶縁体膜１７は、この絶縁体膜１７と下部電極３とが接触したとき（オン時）に、絶縁体膜１７と信号線３とが接触できるように対称的に設けられたものである。
【０１０４】
ここで、中間電極１５と上部電極９との短絡は、絶縁性部材１６中に設けられた埋め込み配線１８に限られるものではなく、絶縁性部材６の端部に設けた配線を介して行ってもよい、
また、中間電極１５と上部電極９との間に設けられた絶縁性部材６を省略してもよい。
【０１０５】
また、絶縁体膜１６および１７を下部電極４および信号線３の一部に設けることも可能であり、そのような構造も本発明に含まれる。
また、接触電極５の上の絶縁体膜１７を省略し、中間電極１５の厚さと絶縁体膜１６の厚さとの和が、接触電極５の厚さよりも薄くすることにより、ＤＣ信号のオン／オフを行うスイッチを作製することができる。
【０１０６】
また、絶縁体膜１６を省略して、中間電極１５の厚さが接触電極５の厚さ、または、接触電極５の厚さと絶縁体膜１７の厚さとの和よりも薄くすることによっても、中間電極１５と下部電極４との短絡を防ぐこともできる。
また、絶縁体膜を中間電極１５および下部電極６の両方に設けてもよい。同様に、絶縁体膜を接触電極５および信号線３の両方に設けてもよい。
さらに、絶縁体膜１６および１７は、中間電極４および接触電極５の全てを被覆する必要はなく、その一部に設けられたとしても、本発明の効果を得ることができる。
【０１０７】
［第４の実施の形態］
図１２は、本発明の第４の実施の形態を示す平面図である。同図において、図１における同一符号のものは同一または同等の構成要素を示す。図１２に示すように、本実施の形態は、下部電極が中間電極１５の下側で電気的に二つの異なる電位を持つことが可能となるように、下部電極４ａ，４ｂに分離していることが第１の実施の形態と異なる点である。
【０１０８】
本実施の形態の構造では、印加電圧は下部電極４ａ，４ｂ間にかけられ、上部電極９につながる支持部材７は電気的に浮いた状態である。このとき、二つの下部電極４ａおよび４ｂの間に印加された電圧の半分が、下部電極４ａおよび４ｂと中間電極１５との間に働くことになる。
【０１０９】
このため、静電引力となってスイッチを閉じるのに役立つ電圧が半分に減少するため、第１の実施の形態の場合の２倍の電圧を印加することにより、スイッチを閉じることができる。一方、上部電極９が浮いた状態であるため、上部電極９と下部電極４ａおよび４ｂとの間の絶縁性部材６が高圧のために破壊されるという問題は生じない。そして、なによりも支持部材７に電位を与えるための信号線３ａを接続する必要がないため、デバイス全体としての配線が非常に簡略化されるという長所がある。
【０１１０】
先に、第１の実施の形態で述べた支持部材７を浮かせた状態での駆動方法は、周囲の配線の影響を受けるということがときには問題となることがあるが（例えば、多数のスイッチを配置した場合、各スイッチにおける駆動電圧が異なることがある）、本実施の形態においては周囲の影響をあまり受けることなくスイッチを駆動させることができる。
【０１１１】
なお、本実施の形態では、上部電極６を片持ちアーム８と接続させた例を示したが、中間電極１５の電位を二つの下部電極４ａおよび４ｂによって決めることができるで、この上部電極９を省略することができる。また、上部電極９を単に補強板として利用することもできるし、片持ちアーム８と切り離してもよい。さらに、支持部材７、片持ちアーム８、さらに上部電極９を絶縁体あるいは高抵抗の半導体等の材料を使って作製することもできる。
【０１１２】
［第５の実施の形態］
図１３は、本発明の第５の実施の形態を示す平面図である。同図において、図１２における同一符号のものは同一または同等の構成要素を示す。図１３に示すように、本実施の形態は、中間電極１５の下側で電気的に二つの異なる電位を持つことが可能な下部電極４ｃ，４ｄが櫛歯構造になっていることが第４の実施の形態と異なる点である。
【０１１３】
第４の実施の形態では、スイッチ本体部１４を接着する際に、下部電極４ａ，４ｂが向かい合った部分が上部電極９のちょうど真ん中に位置するようにしなければならない。すなわち、中間電極１５と下部電極４ａ，４ｂとの重なる領域が等しい大きさにならないと、中間電極１５の電位が二つの下部電極の電圧の半分にならず、領域の大きな下部電極の方に引き寄せられることがある。そして、片持ちアーム８にねじれの変位が生じる恐れがある。
【０１１４】
そこで、本実施の形態ではこのような問題を解決するため、下部電極を櫛歯構造とすることにより、スイッチ本体部１４を接着する際に若干のずれが生じても、下部電極と上部電極との重なる領域の大きさが等しくなるようにしている。なお、櫛歯の数は図示した例に限られるものではなく、さらに多数の櫛歯を設けることができる。また、櫛歯の方向も任意に変えることができる。
なお、図１２、１３に関して述べた実施の形態における電極の分離は、下部電極に限られるものではない。すなわち、同様に上部電極を二つ以上に電気的に分離してもよいし、上部電極および下部電極の両者を分離してもよい。また、この分離される電極の個数は二つに限られず、複数であればよい。
【０１１５】
［第６の実施の形態］
第１〜５の実施の形態に係るマイクロマシンスイッチを、フェーズドアレイアンテナに適用した例について説明する。
以下に示すように、上述のマイクロマシンスイッチは、ＤＣ〜高周波信号まで幅広く適用することができ、特にフェーズドアレイアンテナ装置に適用すると効果的である。
【０１１６】
図１４は、特願平１０−１７６３６７号に開示されたフェーズドアレイアンテナ装置を示すブロック図である。同図に示すように、フェーズドアレイアンテナ装置は、Ｍ個（Ｍは２以上の自然数）のアンテナ２３を有し、アンテナ２３は移相回路２４に接続されている。この移相回路２４は、データ分配回路２４ａと、このデータ分配回路２４ａに接続されたＭ個のデータラッチ回路２４ｂと、このデータラッチ回路２４ｂ接続された移相器２４ｃとによって構成されている。
【０１１７】
したがって、各アンテナ２３はＮビット（Ｎは自然数）の移相器２４ｃにそれぞれ接続され、各移相器２４ｃは分配合成器２２を介して給電部２１に接続されている。
【０１１８】
また、データ分配回路２４ａは、制御装置２０に接続されている。なお、データ分配回路２４ａおよびデータラッチ回路２４ｂは、基板上に薄膜トランジスタ回路（ＴＦＴ回路）で実現されている。
【０１１９】
また、移相器２４ｃは、各ビット毎に上述のマイクロマシンスイッチを備えており、各データラッチ回路２４ｂは各移相器２４ｃのマイクロマシンスイッチに接続されている。このように、同図に示されたフェーズドアレイアンテナ装置では、従来外付けＩＣだった移相器の駆動回路をＴＦＴ回路で構成し、移相器２４ｃ等と同一層に形成している。
【０１２０】
次に、図１４に示されたフェーズドアレイアンテナ装置の動作について説明する。制御装置２０は、予め設定されているアンテナ２３の位置と使用する周波数とに基づいて、放射ビームを所望の方向に向けるのに最適な移相量をＮビットの精度で計算し、その結果を制御信号としてデータ分配回路２４ａに出力する。データ分配回路２４ａは、各データラッチ回路２４ｂに制御信号を分配する。
【０１２１】
アンテナ２３における電波の放射方向は、全てのアンテナ２３について一斉に切り換えられる。その際、各データラッチ回路２４ｂは、ビーム方向を切り換えるためのタイミング信号に同期して、保持データを入力データである制御信号に書き換え、保持データ（制御信号）に基づき、移相器２４ｃが必要とするビットのマイクロマシンスイッチに対して駆動電圧を一斉に印加する。
【０１２２】
マイクロマシンスイッチに駆動電圧が印加されると、マイクロマシンスイッチは回路を閉じて、そのマイクロマシンスイッチが含まれるビットをオン状態にする。そして、移相器２４ｃのどのビットがオン状態になるかで、その移相器２４ｃの移相量が設定される。
【０１２３】
各移相器２４ｃは、このようにして設定された移相量だけ高周波信号の位相を変え、各アンテナ２３に給電する。そして、各アンテナ２３は、給電位相に応じた位相の放射をし、その放射が等位相面が生成することにより、この等位相面と垂直な方向に放射ビームを形成する。
【０１２４】
次に、図１４に係るフェーズドアレイアンテナ装置の詳細な構造について説明する。
図１５は、フェーズドアレイアンテナ装置を示す分解斜視図である。同図に示されるように、全体構成は多層構造となっている。すなわち、分配合成層Ｌ１と、誘電体層Ｌ２と、給電用スロット層Ｌ３と、誘電体層Ｌ４と、放射素子と移相器とＴＦＴ回路とからなる層（以下、移相回路層という）Ｌ５と、誘電体層Ｌ６と、無給電素子層Ｌ７とがそれぞれ密着して張り合わされている。
【０１２５】
各層は、フォトリソグラフィおよびエッチング技術、および、接着技術等を利用して多層化されている。例えば、無給電素子層Ｌ７および移相回路層Ｌ５は、誘電体層Ｌ６の各面に形成された金属膜に対して、フォトリソグラフィおよびエッチング技術を施して形成される。給電用スロット層Ｌ３は、誘電体層Ｌ４の片面に形成された金属膜に対して、フォトリソグラフィおよびエッチング技術を施すことによって形成される。
【０１２６】
さて、無給電素子層Ｌ７には、複数の無給電素子３２が形成されている。この無給電素子３２は、アンテナの帯域を広げるために用いられ、誘電体層Ｌ６を介して移相回路層Ｌ５の放射素子と電磁結合されている。また、誘電体層Ｌ６には、比誘電率が２〜１０程度の誘電体が用いられる。例えば、ガラスを用いれば製造コストを低減させることができ、誘電体層のうちの少なくとも一層にガラスを用いるのが望ましい。なお、製造コストの問題を無視すれば、誘電体層Ｌ６に比誘電率の高いアルミナや比誘電率の低い発泡材等の誘電体を使用してもよい。
【０１２７】
次いで、移相回路層Ｌ５には、図１２に示されたアンテナ２３の一部と、移相回路２４と、アンテナ２３に給電するためのストリップライン等が形成されている。
【０１２８】
次いで、誘電体層Ｌ４は、アルミナ等の比誘電率が３〜１２程度の誘電体で形成されている。
次いで、給電用スロット層Ｌ３は、導電性を有する金属によって形成され、給電用結合手段である給電用スロット３０が複数形成されている。なお、給電用スロット層３０は、誘電体層Ｌ４に適宜設けられたスルーホールを介して移相回路層Ｌ５と接続され、移相回路層Ｌ５の接地として機能する。
【０１２９】
次いで、分配合成層Ｌ１には、複数の分配合成器２２が形成されている。分配合成器２２は、給電用スロット層Ｌ３に設けられた給電用スロット３０を介して移相回路層Ｌ５と電磁的に結合されている。１個の分配合成器２２と１個の給電用スロット３０とは、１個の給電ユニットを構成し、各ユニットはマトリックス状に配置されている。ただし、マトリックス状に配置されていないものも本発明に含まれる。
【０１３０】
なお、放射素子２は、マトリックス状に配置されていてもよいし、単に２次元的に配列されているだけでもよい。あるいは一方向に整列配置されていてもよい。また、図１５では分配合成器２２と移相回路層Ｌ５とが、給電用スロット層Ｌ３を介して電磁的に結合されているが、分配合成器２２と移相回路層Ｌ５とが給電ピン等の他の給電用結合手段で接続されている場合においては、同一面に形成されていてもよい。
【０１３１】
次に、図１５に示された移相回路層Ｌ５について詳細に説明する。
図１６は、移相回路層Ｌ５の１ユニットを示す平面図である。同図に示すようにガラス基板等の誘電体層Ｌ６には、放射素子４１、移相器群４０およびデータラッチ回路４６が形成されている。ただし、データラッチ回路４６は移相器４０ａ〜４０ｄの各ビット毎に設けられている。
【０１３２】
また、ストリップライン４２は、放射素子４１から移相器群４０を介して、図１５に示された給電用スロット３０に対応する位置まで配設されている。そして、放射素子４１としては、例えばパッチアンテナ、プリンテッドダイポール、スロットアンテナ、アパーチャ素子等が使用される。ストリップライン４２としては、マイクロストリップ線路、トリプレート線路、コプレーナ線路、スロット線路等の分布定数線路が使用される。
【０１３３】
また、図１６に示す移相器群４０は、全体で４ビットの移相器を構成しており、すなわち４個の移相器４０ａ，４０ｂ，４０ｃおよび４０ｄによって構成されている。各移相器４０ａ〜４０ｄは、それぞれ給電する位相を２２．５゜，４５゜，９０゜，１８０゜だけ変化させることができ、ストリップラインとマイクロマシンスイッチとで構成されている。
【０１３４】
ここで、移相器４０ａ〜４０ｃは、ストリップライン４２と接地４３との間に接続された２個のストリップライン４４と、ストリップライン４４の途中に接続されたマイクロマシンスイッチ４５とで構成されている。これらの移相器は、ローデッドライン形移相器を構成している。
【０１３５】
一方、移相器４０ｄでは、ストリップライン４２の途中に接続されたマイクロマシンスイッチ４５ａと、コの字型のストリップライン４４ａと、ストリップライン４４ａと接地４３との間に接続されたマイクロマシンスイッチ４５ａとで構成されている。この移相器は、スイッチドライン形移相器を構成している。
【０１３６】
一般に、移相量が小さい場合にはローデッドライン形の方が良い特性が得られ、移相量が大きい場合にはスイッチドライン形の方が良い特性が得られる。そのため、２２．５゜，４５゜，９０゜の移相器としてローデッドライン形を用い、１８０゜の移相器としてスイッチドライン形を用いている。もちろん、移相器４０ａ〜４０ｃに、スイッチドライン形を用いることも可能である。
【０１３７】
各移相器４０ａ〜４０ｄに含まれる２個のマイクロマシンスイッチ（４５または４５ａ）は、その近傍に配設されたデータラッチ回路４６に接続され、データラッチ回路４６が出力する駆動電圧によって同時に動作する。
このように、ストリップライン４２に流れる高周波信号は、移相器群４０の働きにより、その給電位相が変化させられる。
【０１３８】
なお、データラッチ回路４６を、各マイクロマシンスイッチの近傍に配置する代わりに、複数のデータラッチ回路を一カ所にまとめて配置し、そこから配線を延ばして各マイクロマシンスイッチを駆動するようにしてもよい。また、１個のデータラッチ回路を複数の異なるユニットのマイクロマシンスイッチに接続してもよい。
【０１３９】
図１７は、ローデッドライン形の移相器に用いられたマイクロマシンスイッチ４５周辺を拡大した平面図である。同図に示すように、２個のマイクロマシンスイッチ４５は、２個のストリップライン４４に対して左右対称となるように配設されている。また、これらマイクロマシンスイッチ４５は、図示しない１個のデータラッチ回路に接続され、データラッチ回路から同時に駆動電圧（外部電圧）が供給される。もちろん、このマイクロマシンスイッチ４５としては、第１〜４の実施の形態で述べたものを使用することができる。
【０１４０】
【発明の効果】
以上説明したとおり本発明は、下部電極と上部電極との間に中間電極を有し、かつ、接触電極に対向しかつ支持部材と絶縁された補強部材を備える。したがって、このような中間電極を設けたことによりスイッチを駆動する印加電圧を低減させることができる。例えば、接触電極と信号線とが４μｍのギャップをもつ場合には、従来例の約２／３まで電圧を低減させることができる。また、接触電極と信号線との距離を４μｍ以下にするときには、印加電圧の低減の効果はさらに増大し、従来例の１／２以下に抑えることも容易である。
【０１４１】
この中間電極は、従来の接触電極を作製するのと同時に作製することが可能であるため、スイッチ作製プロセスに特に追加の工程を加える必要がなく、コストの上昇が抑えられるという利点がある。そして、印加電圧を低減できることから、上部電極と下部電極との間の絶縁体膜に大きな電圧が印加されることを防ぐことができ、特に高品質の絶縁体膜を作製する必要がなくなり、スイッチ作製プロセスの選択性を広めることにつながる。したがって、従来この絶縁体膜の耐圧特性の限界から発生していたデバイスの破壊を防止することができる。また、外部駆動回路で必要とされる電圧も低下し、構成が簡略化されると同時に消費電力も低減した。
また、補強部材を設けたことにより、接触電極の反りを抑制でき、接触電極が信号線に対して片当たりするのを防ぐことができる。
【０１４２】
一方、下部電極を２個設けることにより、同一寸法で下部電極を１個もつ構造と比較した場合、印加電圧が高くなるものの絶縁体膜に電圧が印加されないため、低品質の絶縁体膜を使用したとしても絶縁破壊することがなくなった。印加電圧の上昇は、デバイスの寸法を増大させることによって補償することが可能であり、デバイス寸法が特に小さくする必要がないような応用に採用することができる。そして、何よりも上部電極の存在が必要でなくなり、下部電極に電圧を印加するだけでスイッチの駆動が可能となることから、スイッチの配線が簡略化されるという著しい効果が生ずる。このため、配線にともなうコストの上昇、デバイス構造の複雑化、長期信頼性の低下等の欠点が著しく改善される。
【０１４３】
また、本発明に係るマイクロマシンスイッチを作製するプロセスは、高い温度プロセスを利用できることから、次のような効果が得られる
１）梁部材等を構成する材料の選択が広がり、種々の導体および半導体を利用することを可能とし、材料選択の自由度を増大させる。
２）高温度で作製された絶縁体膜の耐圧特性がすぐれているためデバイスの電気特性が向上する。
３）厚さ方向の自由度が増大したため、梁部材の幅を減少することができ、スイッチの寸法を小さくすることが可能となる。
【０１４４】
以上の利点が生まれたために、本発明に係るマイクロマシンスイッチは、個々ばらばらにして使用する単純なスイッチに留まらず、大面積の基板上に数万個のオーダで集積化することが要求されるフェーズドアレイアンテナのような新たな応用を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考例１を示す平面図（ａ）およびそのＡ−Ａ’線断面図（ｂ）である。
【図２】 図１に係るマイクロマシンスイッチの製造工程を示す断面図である。
【図３】 図２の続きの製造工程を示す断面図である。
【図４】 本発明の第１の実施の形態を示す平面図（ａ）およびそのＢ−Ｂ’線断面図（ｂ）である。
【図５】 図４に係るマイクロマシンスイッチの製造工程を示す断面図である。
【図６】 図５の続きの製造工程を示す断面図である。
【図７】 本発明の第２の実施の形態を示す平面図（ａ）およびそのＣ−Ｃ’線断面図（ｂ）である。
【図８】 参考例２を示す断面図である。
【図９】 参考例３を示す断面図である。
【図１０】 参考例４を示す断面図である。
【図１１】 本発明の第３の実施の形態を示す平面図（ａ）およびそのＤ−Ｄ’線断面図（ｂ）である。
【図１２】 本発明の第４の実施の形態を示す平面図である。
【図１３】 本発明の第５の実施の形態を示す平面図である。
【図１４】 フェーズドアレイアンテナ装置（本発明の第６の実施の形態）を示すブロック図である。
【図１５】 図１４に係るフェーズドアレイアンテナ装置の詳細な構成を示す分解斜視図である。
【図１６】 図１５に係る移相回路を示す平面図である。
【図１７】 図１６に係るマイクロマシンスイッチの周辺を示す平面図である。
【図１８】 従来例を示す平面図（ａ）およびそのＥ−Ｅ’線断面図（ｂ）である。
【符号の説明】
１…基板、２…アース板、３，３ａ…信号線、４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ…下部電極、５…接触電極、６，６ａ，６ｂ…絶縁性部材、７…支持部材、８…片持ちアーム、８ａ…シリコン層、８ｂ…酸化シリコン層、９…上部電極、１０…補強部材、１１…基板、１２，１３…パタン、１４…スイッチ本体部、１５…中間電極、１６，１７…絶縁体膜、１８…埋め込み配線、２０…制御装置、２１…給電部、２２…分配合成器、２３…アンテナ、２４…移相回路、２４ａ…データ分配回路、２４ｂ…データラッチ回路、２４ｃ…移相器、３０…給電用スロット、３１…移相回路、３２…無給電素子、４０…移相器群、４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ…移相器、４１…放射素子、４２…ストリップライン、４３…接地、４４，４４ａ…ストリップライン、４５，４５ａ…マイクロマシンスイッチ、４６…データラッチ回路、Ｌ１…分配合成層、Ｌ２，Ｌ４，Ｌ６…誘電体層、Ｌ３…給電用スロット層、Ｌ５…移相回路層、Ｌ７…無給電素子層。
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロマシンスイッチに関し、特にＤＣ（直流）からギガヘルツ以上の広い信号周波数をオン／オフ可能とするマイクロマシンスイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ロックウェル・インターナショナル・コーポレイションのユン・ジェイソン・ヤオの「微細電気機械スイッチ」（特開平９−１７３００号公報）に記載の発明を例にして、従来技術を説明する。
【０００３】
図１８は、特開平９−１７３００号公報に開示されたマイクロマシンスイッチの平面図（ａ）およびそのＥ−Ｅ’線断面図を示す。同図に示すように、ガリウムヒ素からなる基板５１上には、熱硬化ポリイミドからなるアンカー構造５２と、金からなる下部電極５３と、金からなる信号線５４とが設けられている。
【０００４】
そして、アンカー構造５２の上にはシリコン酸化膜からなる片持ちアーム５５が設けられ、この片持ちアーム５５は、下部電極５３を越えて信号線５４の位置まで延在しており、これらと空間的な隙間を介して対向している。
【０００５】
片持ちアーム５５の上側には、アルミからなる上部電極５６がアンカー構造５２から下部電極５３に対向する位置まで作製されている。また、片持ちアーム５５の下側には、信号線５４に対向する位置に金からなる接触電極５７が設けられている。
【０００６】
さて、このような構造をしたマイクロマシンスイッチにおいて、上部電極５６と下部電極５３との間に３０Ｖの電圧を印加すると、静電気力により上部電極５６に基板方向（矢印５８の下向き）に引力が働く。このため、片持ちアーム５５が基板側に変形し、接触電極５７が信号線５４の両端と接触する。
【０００７】
通常の状態では、図１９（ｂ）に示すように、接触電極５７と信号線５４との間には隙間が設けられ、したがって２本の信号線５４は互いに切り離されている。このため、下部電極５３に電圧が印加されない状態では、信号線５４に電流は流れない。
【０００８】
しかし、下部電極５３に電圧が印加されて接触電極５７が信号線５４と接触した状態では、２本の信号線５４は短絡し、両者の間を電流が流れることができる。したがって、下部電極５３への電圧印加によって、信号線５４を通る電流あるいは信号のオン／オフを制御することができる。
【０００９】
ただし、スイッチの損失を低減させるためには、上部電極５６と接触電極５７とが電気的に十分に絶縁されていることが重要である。すなわち、もし上部電極５６と接触電極５７が電気的に短絡していれば、信号線５４を流れる信号（ＤＣを含む）が上部電極５６にも流れ出てしまう。
【００１０】
また、上部電極５６と接触電極５７とが短絡していなくとも、静電容量がかなり大きいような状態では、信号線５４を流れる交流信号がやはり上部電極５６に流れて外部に漏洩する。
このように、上部電極５６と接触電極５７との絶縁が十分でないときには、信号の漏れが大きくなり、スイッチの特性が悪くなる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来のマイクロマシンスイッチには、以下の問題点があることが判明した。
スイッチをオンさせる（すなわち、接触電極５７が信号線５４に接触する）ためには、片持ちアーム５５の復元力に勝る静電気力を発生するように、上部電極５６と下部電極５３との間に充分な電圧を印加させることが必要である。その際、この静電気力は、上部電極５６と下部電極５３との間の距離（正確にはこの距離から片持ちアーム５５の厚さを減じた値）の二乗に反比例するため、両者の電極間の距離を小さく設計することが重要である。
【００１２】
ところで、従来例の構造では、図１８（ｂ）に示すように上部電極５６と下部電極５３との間の距離は、片持ちアーム５５の厚さに加え、さらに接触電極５７と信号線５４との間の距離よりも接触電極５７の厚さだけ大きくなる。例えば、高周波応用において信号の損失を少なくするためには、接触電極５７および信号線５４の厚さを２μｍ程度にする必要がある。
【００１３】
また、オフ時に信号線５４と接触電極５７との静電容量的結合を小さくするため、両者を４μｍ以上離した構成にする必要がある。このため、上部電極５６と下部電極５３とは、片持ちアーム８の厚さに加えて６μｍ程度離して配置されることになる。
【００１４】
このとき、上部電極５６と下部電極５３との重なる領域を１０，０００μｍ2 とし、片持ちアーム８の幅を２０μｍ、長さを１３０μｍで設計すると約１００Ｖもの高い電圧が必要とされることが、本願発明者等によって確認された。もちろん、片持ちアーム８の長さを長くしたり、幅を小さくしたりすることにより、片持ちアーム８の復元力を小さくするように設計することも可能であるが、これはデバイスの作製途中あるいはデバイスの動作中に片持ちアーム８が破損してしまうおそれがある。
【００１５】
一方、上部電極５６と下部電極５３との重なる領域を大きくすることにより、大きな静電気力を発生させることができ、印加電圧を低減させることが可能であるが、それではデバイス全体が大きくなってしまう。従来例ではこのような方法で印加電圧の低減を実現しているが、この方法は明らかにデバイス全体の寸法が大きくなるという代償を払ったものであり、スイッチの小型化に関して大きな限界がある。
【００１６】
また、１００Ｖもの高い電圧が必要とされることから、絶縁破壊によりデバイスが破壊されないように、片持ちアーム８の膜質を良質なものにすることが必要とされる。しかし、従来例のように、金からなる接触電極５７の上に酸化膜の片持ちアーム８を低温堆積プロセス（２５０℃以下のプラズマＣＶＤプロセス）によって作製するような方法では、充分の耐圧特性を持った酸化膜を形成することは困難である。
【００１７】
また、印加電圧が高くなると、駆動用の回路で消費される電力が増大するため、特に多数のスイッチを配列するというアンテナ等の用途に従来例のマイクロスイッチを応用することができないことがわかった。
【００１８】
さらに、従来の製造工程においては、接触電極に反りが生じて信号線に対して片当たりするという問題点があった。
【００１９】
本発明は、このような課題を解決するためのものであり、従来よりも低い駆動電圧で動作可能なマイクロマシンスイッチを提供することを主な目的とする。
また、本発明は、印加電圧を下げることができない場合に備え、絶縁体膜の耐圧特性を上昇させることによってデバイス特性を改善することをその他の目的とする。
さらに、本発明は接触電極の反りを小さく抑えることをその他の目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明に係るマイクロマシンスイッチの一態様は、基板上に設けられた第１の信号線と、前記基板上に設けられかつ前記第１の信号線の端部から所定のギャップを隔てて端部の設けられた第２の信号線との間の導通／非導通を制御するマイクロマシンスイッチにおいて、前記基板上に設けられた支持部材と、この支持部材に接続してかつ一部が前記ギャップと対向するように前記基板上に空間を隔てて設けられた梁部材と、この梁部材の前記基板側における少なくとも前記ギャップと対向する位置に設けられた接触電極と、前記基板上に前記梁部材の一部と対向して設けられた下部電極と、前記梁部材に前記下部電極と対向して設けられた中間電極とを備え、前記梁部材は、前記接触電極が設けられた面の反対側の面に、前記接触電極と対向して前記支持部材と絶縁された補強部材が設けられ、さらに、前記梁部材は、前記支持部材との接続部分から少なくとも前記下部電極と対向する位置までの領域が導電性部材からなり、この導電性部材から前記接触電極までの領域が絶縁性部材のみからなるものである。
【００２６】
このように本発明は、中間電極を設けることにより、上部電極と下部電極との間の距離を実質的に短くすることにより、スイッチの駆動電圧を低減させるものである。
例えば、接触電極と同じ厚さの中間電極を絶縁体膜を挟んで上部電極の下側に設ける。この中間電極は外部の電圧回路と直接接続されていないとする。上部電極と下部電極との間に電圧（Ｖ）を印加したときには、中間電極の電位は以下の式から計算される。
【００２７】
Ｖ・Ｃ1 ／（Ｃ1 ＋Ｃ2 ）
【００２８】
ここで、中間電極と上部電極との間の静電容量をＣ1 、中間電極と下部電極との間の静電容量をＣ2 とした。Ｃ1 はＣ2 よりも大きいので、中間電極の電位はほぼ上部電極と等しい値となる。
【００２９】
この中間電極を上述の従来例のケースに当てはめると、中間電極と下部電極との間の距離は、接触電極と信号線との間の距離の４μｍに等しい。このとき、電圧を印加する電極の距離が実質的に２／３（＝４［μｍ］／６［μｍ］）に減少するため、必要とされる電圧も約６７Ｖと従来例の２／３に減少させることが可能となる。
【００３０】
さらに、この中間電極は、接触電極の作製と同時に作製することができるため、デバイスの製造コストを少しも上昇させないという長所があることが特筆される。中間電極の構造は、以下の実施例で詳しく述べるように種々の変更が可能であり、それぞれ大きな特徴を有する。
【００３１】
このように本発明は、従来よりも低い印加電圧で駆動させることができるとともに、絶縁体膜の耐圧特性を上昇させることによってデバイス特性を改善することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について参考例を交えながら説明する。
【００３３】
［参考例１］
図１は、参考例１の平面図（ａ）およびそのＡ−Ａ’線断面図（ｂ）を示す。同図に示すように、本参考例では、誘電率の大きなガラス製の基板１上に、シリコンからなるスイッチ本体部１４と、金からなる下部電極４と、金からなる信号線３が設けられている。また、基板１の裏面にはアース板２が形成されている。
【００３４】
スイッチ本体部１４は、支持部材７と、片持ちアーム８と、上部電極９との一体構造となっている。支持部材７からは、シリコンからなる二本の片持ちアーム８が基板面に対してほぼ水平に延びている。二本の片持ちアーム８は、従来例における一本のアームと比べてアームの回転運動を低く抑えることができ、スイッチの片当たり接触を防止するのに役立つ。ただし、条件に応じて片持ちアーム８の本数を変えればよいのであって、本参考例には１本および２本以上の片持ちアーム８を有する構造が含まれる。
【００３５】
ところで、支持部材７と片持ちアーム８と接続部分においては、その表面におけるなす角α，βが、それぞれ鈍角（９０°＜α，β＜１８０°）となるように調整することが好ましい。このようにすることにより、片持ちアーム８の強度を高めることができ、１ＭＨｚ以上といった高周波数のスイッチング動作を可能とする。
【００３６】
片持ちアーム８の先端には、シリコンからなる上部電極９が設けられている。上部電極９は、下部電極４と空間的な隙間を介して対向している。
支持部材７は、基板１上に形成されている信号線３ａに接続されており、この信号線３ａは、支持部材７および片持ちアーム８を介して上部電極９と電気的に接続されている。
【００３７】
また、二酸化シリコンあるいは窒化シリコン膜等の絶縁体膜からなる絶縁性部材６が、上部電極９の下面に下部電極４と対向する位置から信号線３に対向する位置にかけて設けられている。この信号線３に対向する絶縁性部材６の下側の位置には、金からなる接触電極５が設けられている。同様に、下部電極４と対向するようにして絶縁性部材６上には、中間電極１５が設けられている。
【００３８】
このように絶縁性部材６を設けることにより、接触電極５と上部電極９との短絡を防止することができる。ただし、絶縁性部材６は、最低限接触電極５と上部電極９との間、および、中間電極１５と上部電極９との間にあればよい。なお、高周波信号をスイッチングする場合は、信号線３と容量結合可能な範囲で接触電極５の表面を絶縁体膜で覆っていてもよい。逆に信号線３を絶縁体膜で覆っても構わない。
【００３９】
このように、接触電極５と対向する絶縁性部材６の上側には、片持ちアーム８よりも厚みのある上部電極９が設けられているため、接触電極５と絶縁性部材６との間に生じる歪みによる反りを小さく抑えることができる。したがって、接触電極５は絶えず基板１に対して平行な状態を保つことができ、片当たりによる接触抵抗の増大を抑えることができる。なお、片持ちアーム８と上部電極９と絶縁性部材６とから梁部材が構成される。
【００４０】
ここで、本参考例の動作について説明する。
信号線３ａを介して上部電極９と下部電極４との間に７０Ｖの電圧を印加すると、静電気力により上部電極９に基板方向（下向き）に引力が働く。このため、片持ちアーム８が下側に湾曲して接触電極５が信号線３と接触するようになる。
【００４１】
信号線３は、図１（ｂ）に示すように接触電極５に対向する位置に隙間が設けられている。このため、電圧が印加されない状態では信号線３に電流は流れないが、電圧が印加されて接触電極５が信号線３と接触した状態では信号線３を電流が流れることができる。このように、下部電極４への電圧印加によって信号線３を通る電流あるいは信号のオン／オフを制御することができる。また、３０ＧＨｚの信号を扱った場合、従来のＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）スイッチでの挿入損失が３〜４ｄＢであったのに対し、本実施の形態のスイッチでは２．５ｄＢという結果が得られた。
【００４２】
このように本参考例では、上部電極９は導電性の片持ちアーム８を介して導電性の支持部材７と電気的に接続されているため、上部電極９への電圧印加を容易に行うことができる。ただし、上部電極９は電気的に浮遊した状態であっても構わない。その場合、信号線３ａは不要であり、スイッチを動作させるためには下部電極４に電圧を印加するだけでよい。
【００４３】
また、支持部材７と片持ちアーム８と上部電極９とを、不純物が一部あるいは全体に拡散された半導体で作製することができる。その場合、スイッチの動作時に上部電極９と下部電極４との間に流れる電流は、極めて小さなものであるから、これら半導体の不純物の含有量を精密に制御する必要はない。
【００４４】
また、以下の作製方法に述べるように片持ちアーム８の厚さを、他の構成要素に比べて薄く制御することも容易である。このように個々の要素の厚さを制御することによって、剛性の大きな構成要素の中に柔らかい片持ちアーム８を作製することができる。したがって、剛性の大きな要素では電圧印加時の変形が基板１に対して水平に行われ、変形のほとんどが薄い片持ちアーム８によってなされることになる。これは、スイッチの片当たりを低く抑えることに役立つものである。
【００４５】
ただし、上部電極９の厚さを、片持ちアーム８と同じにしたものも本発明に含むことができる。このような構造は、作製方法が簡略化されるという長所がある。
【００４６】
なお、本参考例の代表的な寸法は、表１のとおりである。
【００４７】
【表１】
ここで、幅は図１（ａ）の平面図に対して縦方向の長さ、長さは図１（ａ）の平面図に対して横方向の長さ、厚さは図１（ｂ）の断面図に対して縦方向の長さをそれぞれ示す。また、中間電極１５と下部電極４との距離は、４μｍとしている。
しかし、これら寸法は個々の応用に応じて設計すべきものであり、上述の数値に限定されるものではない。本発明においては、その増大した設計自由度により、広い範囲の設計が可能である。例えば、中間電極１５の厚さを接触電極５よりも少し薄く設計すると、接触電極５と信号線３との接触の力が大きくなり、両者の接触抵抗が減少する。これは、特にＤＣ信号をオン／オフするスイッチに適した設計であるといえる。
【００４９】
また、中間電極１５の厚さを接触電極５よりも少し厚く設計すると、接触電極５はスイッチのオンのときでも信号線３と直接接触することがなくなる。しかし、高周波応用では抵抗接触は必ずしも必要でなく、容量型の接触でも信号を伝えることが可能であるため、接触電極５が直接信号線３に触れなくてもよい。この場合には、接触電極５が信号線３と直接ふれないため、機械的な摩耗を低く押さえることが可能であり、スイッチの寿命を長く保つことができるという利点がある。
【００５０】
さらに、スイッチの駆動方法として、上部電極９に電気的短絡した支持部材７と下部電極４との間に電圧を印加する例を示したが、支持部材７の電位を必ずしも固定せずに、下部電極４だけに電圧を印加するだけでスイッチの動作は可能である。このとき、支持部材７（すなわち、上部電極９）の電位は、固定されずに浮いた状態である。このような状態では、通常、上部電極９は周囲の電位に影響された電圧となり、周囲にグランド線を配置することによってグランド電圧に近い状態とすることが可能である。なお、グランド線の配置は、一般的にスイッチ本体部１４の近くに設けられるのが普通である。
このように、支持部材７の電位を浮遊させた場合、支持部材７に配線を設ける手間が省けるため、全体としてデバイスの配線が簡略化されるという利点がある。
【００５１】
ここで、図１に係るマイクロマシンスイッチの製造工程について図を参照して説明する。
図２，３は、図１に係るマイクロマシンスイッチの製造工程を示す断面図である。製造工程について順次説明する。
【００５２】
まず、図２（ａ）に示すように、シリコンからなる基板１１に二酸化シリコン膜からなるパタン１２を形成し、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）等のエッチング液を用いて基板１１を約６μｍほどエッチングする。
ここで、基板１１としては（１００）面を主面とするシリコンを用いた場合、エッチング速度の面方位依存性により、エッチング後は（１１１）面が側面に露出した台形となる。
【００５３】
次いで、図２（ｂ）に示すように、新たにパタン１３を基板１上に形成し、このパタン１３をマスクにしてマスクの無い領域にボロンを拡散させ、その後、ボロンの深い拡散を行うため、例えば１１５０℃で１０時間ほど熱拡散を実施する。このとき、高濃度のボロンが約１０μｍの深さまで拡散される。その結果、支持部材７と上部電極９とが作製される。
【００５４】
次いで、図２（ｃ）に示すように、片持ちアーム８に対応する領域のパタン１３を除去してから、残ったパタン１３をマスクにしてマスクの無い領域にボロンを拡散させる。その結果、支持部材７，片持ちアーム８および上部電極９からなるスイッチ本体部１４ができあがる。
なお、今回はボロンの浅い拡散を行うため、例えば１１５０℃で２時間ほど熱拡散を実施する。このとき、高濃度のボロンが約２μｍ深さまで拡散される。
【００５５】
次いで、図２（ｄ）に示すように、上部電極９に二酸化シリコン１μｍおよび窒化膜０．０５μｍからなる絶縁性部材６を作製する。
【００５６】
次いで、図３（ｅ）に示すように、絶縁性部材６上に金メッキを用いて接触電極５および中間電極１５を作製する。
【００５７】
次いで、図３（ｆ）に示すように、このようにして作製された基板１１を、金からなる下部電極４および金からなる信号線３，３ａの形成されたガラス製の基板１に載置する。この基板１は上述のシリコンプロセスとは別個の工程で予め作製しておく。その後、支持部材７を基板１上に接着する。このとき、シリコンとガラスとの接着には、静電接着技術を利用することができる。
【００５８】
最後に、図３（ｇ）に示すように、基板１１をエチレンジアミンピロカテコール等のボロン濃度選択性が大きいエッチング液に投入し、ボロンが拡散されていない部分を溶解する。その結果、基板１上にマイクロマシンスイッチを作製することができる。
【００５９】
なお、基板１がセラミックあるいはガリウムヒ素等で形成されているのであれば、接着剤を用いて支持部材７とこれらの基板とを接着させることも可能である。もしくは、これら基板の表面にガラスを２〜５μｍ程度スパッタしておくと、静電接着技術を使うことも可能である。
【００６０】
以上のように本参考例では、単結晶シリコン基板をエッチングすることによって片持ちアーム８等からなるスイッチ本体部１４を作製している。このように、本参考例は材料として単結晶体を利用することにより、機械特性として最も信頼性のおける構造体を作製することができるという利点がある。
【００６１】
また、片持ちアーム８を単結晶体のみで作製しているため、従来例のように複数の材料を張り合わせた構造に比べ、熱膨張係数に起因する反りが発生することはない。すなわち、片持ちアーム８の基板１の面に対して直交する方向に沿った熱膨張係数の変化を、基板面側とその反対面側とで互いに対称とすることにより、反りの発生を抑制している。
【００６２】
一方、ここに述べた方法以外にも、基板１上に種々の薄膜を堆積して選択エッチングを利用し、本発明の構造をもつスイッチを作製することも可能である。例えば、スイッチ本体部１４を単結晶シリコンではなく、アモルファスシリコン、ポリシリコンまたは高抵抗の半導体材料（ＧａＡｓ，鉄をドープしたＩｎＰ等）を使って作製してもよい。また、スイッチ本体部１４を半導体ではなく、金やアルミニウム等の金属を使って作製してもよい。
【００６３】
［第１の実施の形態］
図４は、本発明の第１の実施の形態の平面図（ａ）およびそのＢ−Ｂ’線断面図（ｂ）を示す。同図に示すように、本実施の形態では、誘電率の大きなガラス製の基板１上に、シリコンからなる支持部材７と、金からなる下部電極４と、金からなる信号線３が設けられている。また、基板１の裏面にはアース板２が形成されている。
【００６４】
スイッチ本体部１４は、支持部材７と、片持ちアーム８と、上部電極９との一体構造となっている。支持部材７からは、シリコンからなる二本の片持ちアーム８が基板面に対してほぼ水平に延びている。二本の片持ちアーム８は、従来例における一本のアームと比べてアームの回転運動を低く抑えることができ、スイッチの片当たり接触を防止するのに役立つ。ただし、条件に応じて片持ちアーム８の本数を変えればよいのであって、本発明には１本および２本以上の片持ちアーム８を有する構造が含まれる。
【００６５】
ところで、支持部材７と片持ちアーム８との接続部分においては、その表面におけるなす角α，βが、それぞれ鈍角（９０°＜α，β＜１８０°）となるように調整することが好ましい。このようにすることにより、片持ちアーム８の強度を高めることができ、１ＭＨｚ以上といった高周波数のスイッチング動作を可能とする。
【００６６】
片持ちアーム８の先端には、シリコンからなる上部電極９が設けられている。上部電極９は、下部電極４と空間的な隙間を介して対向している。
支持部材７は、基板１上に形成されている信号線３ａに接続されており、この信号線３ａは、支持部材７および片持ちアーム８を介して上部電極９と電気的に接続されている。
【００６７】
また、二酸化シリコンあるいは窒化シリコン膜等の絶縁体膜からなる絶縁性部材６が、上部電極９の下面から始まって信号線３に対向する位置まで延びている。この信号線３に対向する絶縁性部材６の下側の位置には、金からなる接触電極５が設けられている。同様に、下部電極４と対向するようにして絶縁性部材６上には、中間電極１５が設けられている。なお、高周波信号をスイッチングする場合は、信号線３と容量結合可能な範囲で接触電極５の表面を絶縁体膜で覆ってもよい。逆に信号線３を絶縁体膜で覆っても構わない。
【００６８】
接触電極５と対向する絶縁性部材６の上側には、シリコンからなる補強部材１０が設けられている。これは、接触電極５と絶縁性部材６との間に生じる歪みによる反りを小さく抑えるために設けられたものである。このように、補強部材１０を設けることにより、接触電極５は絶えず基板１に対して平行な状態を保つことができ、片当たりによる接触抵抗の増大を抑えることができる。なお、補強部材１０は、絶縁性部材６の材料や膜厚等によっては必ずしも必要ではなく、これがない構造も本発明に含まれる。なお、片持ちアーム８と上部電極９と絶縁性部材６とから梁部材が構成される。
【００６９】
ここで、本実施の形態の動作について説明する。
上部電極９と下部電極４との間に３０Ｖの電圧を印加すると、静電気力により上部電極９に基板方向（下側）に引力が働く。このため、片持ちアーム８が下側に湾曲して接触電極５が信号線３と接触するようになる。
【００７０】
信号線３は、図４（ｂ）に示すように接触電極５に対向する位置に隙間が設けられている。このため、電圧が印加されない状態では信号線３に電流は流れないが、電圧が印加されて接触電極５が信号線３と接触した状態では信号線３を電流が流れることができる。このように、下部電極４への電圧印加によって信号線３を通る電流あるいは信号のオン／オフを制御することができる。また、３０ＧＨｚの信号を扱った場合、従来のＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）スイッチでの挿入損失が３〜４ｄＢであったのに対し、本実施の形態のスイッチでは０．２ｄＢという結果が得られた。
【００７１】
本実施の形態では、上部電極９は導電性の片持ちアーム８を介して導電性の支持部材７と電気的に接続されているため、上部電極９への電圧印加を容易に行うことができる。ただし、上部電極９は電気的に浮遊した状態であっても構わない。その場合、信号線３ａは不要であり、スイッチを動作させるためには下部電極４に電圧を印加するだけでよい。
【００７２】
また、支持部材７と片持ちアーム８と上部電極９と補強部材１０とは、不純物が一部あるいは全体に拡散された半導体から作製することができる。その場合、スイッチの動作時に上部電極９と下部電極４との間に流れる電流は、極めて小さなものであるから、これら半導体の不純物の含有量を精密に制御する必要はない。
【００７３】
また、以下の作製方法に述べるように片持ちアーム８の厚さを、他の構成要素に比べて薄く制御することも容易である。このように個々の要素の厚さを制御することによって、剛性の大きな構成要素の中に柔らかい片持ちアーム８を作製することができる。
剛性の大きな要素では電圧印加時の変形が基板１に対して水平に行われ、変形のほとんどが薄い片持ちアーム８によってなされることになる。これは、スイッチの片当たりを低く抑えることに役立つものである。
【００７４】
ただし、上部電極９および補強部材１０の厚さを、片持ちアーム８と同じにしたものも本発明に含むことができる。このような構造は、作製方法が簡略化されるという長所がある。
【００７５】
なお、本実施の形態の代表的な寸法は、表２のとおりである。
【００７６】
【表２】
ここで、幅は図４（ａ）の平面図に対して縦方向の長さ、長さは図４（ａ）の平面図に対して横方向の長さ、厚さは図４（ｂ）の断面図に対して縦方向の長さをそれぞれ示す。また、中間電極１５と下部電極４との距離は、４μｍとしている。
しかし、これら寸法は個々の応用によって設計すべきものであり、上述の数値に限定されるものではない。本発明においては、その増大した設計自由度により、広い範囲の設計が可能である。例えば、中間電極１５の厚さを接触電極５よりも少し薄く設計すると、接触電極５と信号線３との接触の力が大きくなり、両者の接触抵抗が減少する。これは、特にＤＣ信号をオン／オフするスイッチに適した設計であるといえる。
【００７８】
また、中間電極１５の厚さを接触電極５よりも少し厚く設計すると、接触電極５はスイッチのオンのときでも信号線３と直接接触することがなくなる。しかし、高周波応用では抵抗接触は必ずしも必要でなく、容量型の接触でも信号を伝えることが可能であるため、接触電極５が直接信号線３に触れなくてもよい。この場合には、接触電極５が信号線３と直接ふれないため、機械的な摩耗を低く押さえることが可能であり、スイッチの寿命を長く保つことができるという利点がある。
【００７９】
さらに、スイッチの駆動方法として、上部電極９に電気的短絡した支持部材７と下部電極４との間に電圧を印加する例を示したが、支持部材７の電位を必ずしも固定せずに、下部電極４だけに電圧を印加するだけでスイッチの動作は可能である。このとき、支持部材７（すなわち、上部電極９）の電位は、固定されずに浮いた状態である。このような状態では、通常、上部電極９は周囲の電位に影響された電圧となり、周囲にグランド線を配置することによってグランド電圧に近い状態とすることが可能である。なお、グランド線の配置は、一般的にスイッチ本体部１４の近くに設けられるのが普通である。
このように、支持部材７の電位を浮遊させた場合、支持部材７に配線を設ける手間が省けるため、全体としてデバイスの配線が簡略化されるという利点がある。
【００８０】
ここで、図４に係るマイクロマシンスイッチの製造工程について図を参照して説明する。
図５，６は、図４に係るマイクロマシンスイッチの製造工程を示す断面図である。製造工程について順次説明する。
【００８１】
まず、図５（ａ）に示すように、シリコンからなる基板１１に二酸化シリコン膜からなるパタン１２を形成し、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）等のエッチング液を用いて基板１１を約６μｍほどエッチングする。
ここで、基板１１としては（１００）面を主面とするシリコンを用いた場合、エッチング速度の面方位依存性により、エッチング後は（１１１）面が側面に露出した台形となる。
【００８２】
次いで、図５（ｂ）に示すように、新たにパタン１３を基板１上に形成し、このパタン１３をマスクにしてマスクの無い領域にボロンを拡散させ、その後、ボロンの深い拡散を行うため、例えば１１５０℃で１０時間ほど熱拡散を実施する。このとき、高濃度のボロンが約１０μｍの深さまで拡散される。その結果、支持部材７と上部電極９と補強部材１０とが作製される。
【００８３】
次いで、図５（ｃ）に示すように、片持ちアームに対応する領域のパタン１３を除去してから、残ったパタン１３をマスクにしてマスクの無い領域にボロンを拡散させる。その結果、支持部材７，片持ちアーム８および上部電極９からなるスイッチ本体部１４ができあがる。
なお、今回はボロンの浅い拡散を行うため、例えば１１５０℃で２時間ほど熱拡散を実施する。このとき、高濃度のボロンが約２μｍ深さまで拡散される。
【００８４】
次いで、図５（ｄ）に示すように、上部電極９から補強部材１０にかけて、二酸化シリコン１μｍおよび窒化膜０．０５μｍからなる絶縁性部材６を作製する。
【００８５】
次いで、図６（ｅ）に示すように、補強部材１０に対向する絶縁性部材６上に金メッキを用いて接触電極５および中間電極１５を作製する。
【００８６】
次いで、図６（ｆ）に示すように、このようにして作製された基板１１を、金からなる下部電極４および金からなる信号線３，３ａの形成されたガラス製の基板１に載置する。この基板１は上述のシリコンプロセスとは別個の工程で予め作製しておく。その後、支持部材７を基板１上に接着する。このとき、シリコンとガラスとの接着には、静電接着技術を利用することができる。
【００８７】
最後に、図６（ｇ）に示すように、基板１１をエチレンジアミンピロカテコール等のボロン濃度選択性が大きいエッチング液に投入し、ボロンが拡散されていない部分を溶解する。その結果、基板１上にマイクロマシンスイッチを作製することができる。
【００８８】
なお、基板１がセラミックあるいはガリウム砒素等で形成されているのであれば、接着剤を用いて支持部材７とこれらの基板とを接着させることも可能である。もしくは、これら基板の表面にガラスを２〜５μｍ程度スパッタしておくと、静電接着技術を使うことが可能である。
【００８９】
以上のように本実施の形態では、単結晶シリコン基板をエッチングすることによって片持ちアーム７等からなるスイッチ本体部１４を作製している。このように、本実施の形態は材料として単結晶体を利用することにより、機械特性として最も信頼性のおける構造体を作製することができるという利点がある。
【００９０】
また、片持ちアーム８を単結晶体のみで作製しているため、従来例のように複数の材料を張り合わせた構造に比べ、熱膨張係数に起因する反りが発生することはない。すなわち、片持ちアーム８の基板１の面に対して直交する方向に沿った熱膨張係数の変化を、基板面側とその反対面側とで互いに対称とすることにより、反りの発生を抑制している。
【００９１】
一方、ここに述べた方法以外にも、基板１上に種々の薄膜を堆積して選択エッチングを利用し、本発明の構造をもつスイッチを作製することも可能である。例えば、スイッチ本体部１４および補強部材１０を単結晶シリコンではなく、アモルファスシリコン、ポリシリコンまたは高抵抗の半導体材料（ＧａＡｓ，鉄をドープしたＩｎＰ等）を使って作製してもよい。また、スイッチ本体部１４および補強部材１０を半導体ではなく、金やアルミニウム等の金属を使って作製してもよい。
【００９２】
［第２の実施の形態］
図７は、本発明の第２の実施の形態の平面図（ａ）および断面図（ｂ）を示す。同図に示すように、図４と同一符号の構成要素は、同一または同等の構成要素であることを示している。
【００９３】
本実施の形態では、絶縁性部材６ｂが上部電極９の端面から延びている点が、第１の実施の形態と大きく異なる点である。この絶縁性部材６ｂは、酸化膜、窒化膜等の絶縁薄膜によって形成することもできるが、上部電極９と同一の半導体材料を使って形成することが可能である。その場合、例えば高抵抗の半導体材料（ＧａＡｓ，鉄をドープしたＩｎＰ等）で絶縁性部材６ｂを除く支持部材７，片持ちアーム８および上部電極９のみに不純物を拡散して抵抗を下げるという方法、または、絶縁性部材６ｂの領域に酸素等のイオンを打ち込んで抵抗を高くする方法等を利用することができる。本実施の形態には、補強部材１０を接触電極５に対向する位置に設けているが、これがない構造も本発明に含まれる。
【００９４】
また、補強部材１０は、低抵抗または高抵抗の何れであってもよい。
また、本実施の形態では、上部電極９の下側に絶縁性部材６ｂとは別個に絶縁性部材６ａが設けられている。これは、上部電極９と下部電極４との間に電圧を印加したとき、互いに接触して短絡が起こらないようにするためである。この絶縁性部材６ａの厚さは、接触電極５よりも薄くすることが望ましい。
【００９５】
また、本実施の形態では、第１の実施の形態のものと比べて、絶縁性部材６ｂが基板１に対して上側に位置するようになったため、接触電極５と信号線３との隙間が大きく取れるようになる。このため、オフ時の静電容量が小さくなり、オフ時の漏れ電流を小さく抑えることが可能となる。
【００９６】
以上の実施の形態では、基板１の具体例としてガラス基板をあげて説明した。ガラス基板はガリウムヒ素基板に比べて安価であり、多数のスイッチを集積化することが要求されるフェーズドアレイアンテナ等の応用において有望な材料である。しかし、本発明の構造はこれに限られるものではなく、ガリウムヒ素、シリコン、セラミック、プリント基板等においても有効である。
【００９７】
また、上部電極９に穴を開けることにより、上部電極９と下部電極４との間に存在する空気によるスクイーズ効果を減少させる手法も本発明に含まれる。本発明では、上部電極９および補強部材１０によって絶縁性部材６ｂの強度を補強することが容易である。このため、内部に複数個の穴を設けたとしても、可動部全体の剛性は十分に大きく保つことが可能である。
さらに、絶縁性部材６ｂ，接触電極５および補強部材１０にも穴をあけ、空気を通しやすくするとスクイーズ効果を著しく抑えることが可能である。
【００９８】
［参考例２］
図８は、参考例２を示す断面図である。同図において、図１における同一符号のものは同一または同等の構成要素を示す。図８に示すように、本参考例は信号線３を挟んで２個の支持部材７を基板１上に配設している。したがって、上部電極９は各支持部部材７からそれぞれ延びている片持ちアーム８に接続され、両側で支持した構造となっている。また、十分な静電気力を発生させるため、上部電極９の下には信号線３を挟んで２個所に下部電極４が配設されている。
【００９９】
このように、複数の支持部材７を使って上部電極９を支持した構成も、本発明に含まれる。また、支持部材７の個数をさらに増やして２個以上にしてもよく、そのような構造も本発明に含まれる。
【０１００】
［参考例３］
図９は、参考例３を示す断面図である。同図において、図１における同一符号のものは同一または同等の構成要素を示す。図９に示すように、本参考例はスイッチ本体部１４の表面を酸化させるなどし、片持ちアーム８を、シリコン層８ａとそれを両側から挟む酸化シリコン層８ｂとかなる構造にしたものである。このように、両側の酸化シリコン層８ｂの厚さを等しくしてやれば、基板１側とその反対側の熱膨張係数は対称となるため、高温処理を行っても片持ちアーム８の反りは抑制される。
【０１０１】
［参考例４］
図１０は、参考例４を示す断面図である。同図において、図９における同一符号のものは同一または同等の構成要素を示す。図１０に示すように、本参考例は片持ちアーム８を２種以上の材料からなる薄膜を交互に積層した超格子構造を有するものである。上述の参考例３と同様に、本参考例においても、基板１側の熱膨張係数とその反対側の熱膨張係数とを対称にすることができるため、温度変化による片持ちアーム８のそりを抑制することができる。
【０１０２】
［第３の実施の形態］
図１１は、本発明の第３の実施の形態を示す平面図（ａ）およびそのＤ−Ｄ’線断面図（ｂ）である。同図において、図４における同一符号のものは同一または同等の構成要素を示す。図１１に示すように、本実施の形態は、中間電極１５が絶縁性部材６の一部に設けられた開口中の埋め込み配線１８を介して、上部電極４に短絡している。また、中間電極１５および接触電極５の表面が、それぞれ絶縁体膜１６および１７によって被覆されていることが第１の実施の形態と異なる点である。
【０１０３】
中間電極１５が上部電極９と短絡しているため、中間電極１５の電位は上部電極９の電位と全く同じである。中間電極１５の上の絶縁体膜１６は、中間電極１５と下部電極４とが短絡することを防止するために設けられたものである。そして、接触電極５の上の絶縁体膜１７は、この絶縁体膜１７と下部電極３とが接触したとき（オン時）に、絶縁体膜１７と信号線３とが接触できるように対称的に設けられたものである。
【０１０４】
ここで、中間電極１５と上部電極９との短絡は、絶縁性部材１６中に設けられた埋め込み配線１８に限られるものではなく、絶縁性部材６の端部に設けた配線を介して行ってもよい、
また、中間電極１５と上部電極９との間に設けられた絶縁性部材６を省略してもよい。
【０１０５】
また、絶縁体膜１６および１７を下部電極４および信号線３の一部に設けることも可能であり、そのような構造も本発明に含まれる。
また、接触電極５の上の絶縁体膜１７を省略し、中間電極１５の厚さと絶縁体膜１６の厚さとの和が、接触電極５の厚さよりも薄くすることにより、ＤＣ信号のオン／オフを行うスイッチを作製することができる。
【０１０６】
また、絶縁体膜１６を省略して、中間電極１５の厚さが接触電極５の厚さ、または、接触電極５の厚さと絶縁体膜１７の厚さとの和よりも薄くすることによっても、中間電極１５と下部電極４との短絡を防ぐこともできる。
また、絶縁体膜を中間電極１５および下部電極６の両方に設けてもよい。同様に、絶縁体膜を接触電極５および信号線３の両方に設けてもよい。
さらに、絶縁体膜１６および１７は、中間電極４および接触電極５の全てを被覆する必要はなく、その一部に設けられたとしても、本発明の効果を得ることができる。
【０１０７】
［第４の実施の形態］
図１２は、本発明の第４の実施の形態を示す平面図である。同図において、図１における同一符号のものは同一または同等の構成要素を示す。図１２に示すように、本実施の形態は、下部電極が中間電極１５の下側で電気的に二つの異なる電位を持つことが可能となるように、下部電極４ａ，４ｂに分離していることが第１の実施の形態と異なる点である。
【０１０８】
本実施の形態の構造では、印加電圧は下部電極４ａ，４ｂ間にかけられ、上部電極９につながる支持部材７は電気的に浮いた状態である。このとき、二つの下部電極４ａおよび４ｂの間に印加された電圧の半分が、下部電極４ａおよび４ｂと中間電極１５との間に働くことになる。
【０１０９】
このため、静電引力となってスイッチを閉じるのに役立つ電圧が半分に減少するため、第１の実施の形態の場合の２倍の電圧を印加することにより、スイッチを閉じることができる。一方、上部電極９が浮いた状態であるため、上部電極９と下部電極４ａおよび４ｂとの間の絶縁性部材６が高圧のために破壊されるという問題は生じない。そして、なによりも支持部材７に電位を与えるための信号線３ａを接続する必要がないため、デバイス全体としての配線が非常に簡略化されるという長所がある。
【０１１０】
先に、第１の実施の形態で述べた支持部材７を浮かせた状態での駆動方法は、周囲の配線の影響を受けるということがときには問題となることがあるが（例えば、多数のスイッチを配置した場合、各スイッチにおける駆動電圧が異なることがある）、本実施の形態においては周囲の影響をあまり受けることなくスイッチを駆動させることができる。
【０１１１】
なお、本実施の形態では、上部電極６を片持ちアーム８と接続させた例を示したが、中間電極１５の電位を二つの下部電極４ａおよび４ｂによって決めることができるで、この上部電極９を省略することができる。また、上部電極９を単に補強板として利用することもできるし、片持ちアーム８と切り離してもよい。さらに、支持部材７、片持ちアーム８、さらに上部電極９を絶縁体あるいは高抵抗の半導体等の材料を使って作製することもできる。
【０１１２】
［第５の実施の形態］
図１３は、本発明の第５の実施の形態を示す平面図である。同図において、図１２における同一符号のものは同一または同等の構成要素を示す。図１３に示すように、本実施の形態は、中間電極１５の下側で電気的に二つの異なる電位を持つことが可能な下部電極４ｃ，４ｄが櫛歯構造になっていることが第４の実施の形態と異なる点である。
【０１１３】
第４の実施の形態では、スイッチ本体部１４を接着する際に、下部電極４ａ，４ｂが向かい合った部分が上部電極９のちょうど真ん中に位置するようにしなければならない。すなわち、中間電極１５と下部電極４ａ，４ｂとの重なる領域が等しい大きさにならないと、中間電極１５の電位が二つの下部電極の電圧の半分にならず、領域の大きな下部電極の方に引き寄せられることがある。そして、片持ちアーム８にねじれの変位が生じる恐れがある。
【０１１４】
そこで、本実施の形態ではこのような問題を解決するため、下部電極を櫛歯構造とすることにより、スイッチ本体部１４を接着する際に若干のずれが生じても、下部電極と上部電極との重なる領域の大きさが等しくなるようにしている。なお、櫛歯の数は図示した例に限られるものではなく、さらに多数の櫛歯を設けることができる。また、櫛歯の方向も任意に変えることができる。
なお、図１２、１３に関して述べた実施の形態における電極の分離は、下部電極に限られるものではない。すなわち、同様に上部電極を二つ以上に電気的に分離してもよいし、上部電極および下部電極の両者を分離してもよい。また、この分離される電極の個数は二つに限られず、複数であればよい。
【０１１５】
［第６の実施の形態］
第１〜５の実施の形態に係るマイクロマシンスイッチを、フェーズドアレイアンテナに適用した例について説明する。
以下に示すように、上述のマイクロマシンスイッチは、ＤＣ〜高周波信号まで幅広く適用することができ、特にフェーズドアレイアンテナ装置に適用すると効果的である。
【０１１６】
図１４は、特願平１０−１７６３６７号に開示されたフェーズドアレイアンテナ装置を示すブロック図である。同図に示すように、フェーズドアレイアンテナ装置は、Ｍ個（Ｍは２以上の自然数）のアンテナ２３を有し、アンテナ２３は移相回路２４に接続されている。この移相回路２４は、データ分配回路２４ａと、このデータ分配回路２４ａに接続されたＭ個のデータラッチ回路２４ｂと、このデータラッチ回路２４ｂ接続された移相器２４ｃとによって構成されている。
【０１１７】
したがって、各アンテナ２３はＮビット（Ｎは自然数）の移相器２４ｃにそれぞれ接続され、各移相器２４ｃは分配合成器２２を介して給電部２１に接続されている。
【０１１８】
また、データ分配回路２４ａは、制御装置２０に接続されている。なお、データ分配回路２４ａおよびデータラッチ回路２４ｂは、基板上に薄膜トランジスタ回路（ＴＦＴ回路）で実現されている。
【０１１９】
また、移相器２４ｃは、各ビット毎に上述のマイクロマシンスイッチを備えており、各データラッチ回路２４ｂは各移相器２４ｃのマイクロマシンスイッチに接続されている。このように、同図に示されたフェーズドアレイアンテナ装置では、従来外付けＩＣだった移相器の駆動回路をＴＦＴ回路で構成し、移相器２４ｃ等と同一層に形成している。
【０１２０】
次に、図１４に示されたフェーズドアレイアンテナ装置の動作について説明する。制御装置２０は、予め設定されているアンテナ２３の位置と使用する周波数とに基づいて、放射ビームを所望の方向に向けるのに最適な移相量をＮビットの精度で計算し、その結果を制御信号としてデータ分配回路２４ａに出力する。データ分配回路２４ａは、各データラッチ回路２４ｂに制御信号を分配する。
【０１２１】
アンテナ２３における電波の放射方向は、全てのアンテナ２３について一斉に切り換えられる。その際、各データラッチ回路２４ｂは、ビーム方向を切り換えるためのタイミング信号に同期して、保持データを入力データである制御信号に書き換え、保持データ（制御信号）に基づき、移相器２４ｃが必要とするビットのマイクロマシンスイッチに対して駆動電圧を一斉に印加する。
【０１２２】
マイクロマシンスイッチに駆動電圧が印加されると、マイクロマシンスイッチは回路を閉じて、そのマイクロマシンスイッチが含まれるビットをオン状態にする。そして、移相器２４ｃのどのビットがオン状態になるかで、その移相器２４ｃの移相量が設定される。
【０１２３】
各移相器２４ｃは、このようにして設定された移相量だけ高周波信号の位相を変え、各アンテナ２３に給電する。そして、各アンテナ２３は、給電位相に応じた位相の放射をし、その放射が等位相面が生成することにより、この等位相面と垂直な方向に放射ビームを形成する。
【０１２４】
次に、図１４に係るフェーズドアレイアンテナ装置の詳細な構造について説明する。
図１５は、フェーズドアレイアンテナ装置を示す分解斜視図である。同図に示されるように、全体構成は多層構造となっている。すなわち、分配合成層Ｌ１と、誘電体層Ｌ２と、給電用スロット層Ｌ３と、誘電体層Ｌ４と、放射素子と移相器とＴＦＴ回路とからなる層（以下、移相回路層という）Ｌ５と、誘電体層Ｌ６と、無給電素子層Ｌ７とがそれぞれ密着して張り合わされている。
【０１２５】
各層は、フォトリソグラフィおよびエッチング技術、および、接着技術等を利用して多層化されている。例えば、無給電素子層Ｌ７および移相回路層Ｌ５は、誘電体層Ｌ６の各面に形成された金属膜に対して、フォトリソグラフィおよびエッチング技術を施して形成される。給電用スロット層Ｌ３は、誘電体層Ｌ４の片面に形成された金属膜に対して、フォトリソグラフィおよびエッチング技術を施すことによって形成される。
【０１２６】
さて、無給電素子層Ｌ７には、複数の無給電素子３２が形成されている。この無給電素子３２は、アンテナの帯域を広げるために用いられ、誘電体層Ｌ６を介して移相回路層Ｌ５の放射素子と電磁結合されている。また、誘電体層Ｌ６には、比誘電率が２〜１０程度の誘電体が用いられる。例えば、ガラスを用いれば製造コストを低減させることができ、誘電体層のうちの少なくとも一層にガラスを用いるのが望ましい。なお、製造コストの問題を無視すれば、誘電体層Ｌ６に比誘電率の高いアルミナや比誘電率の低い発泡材等の誘電体を使用してもよい。
【０１２７】
次いで、移相回路層Ｌ５には、図１２に示されたアンテナ２３の一部と、移相回路２４と、アンテナ２３に給電するためのストリップライン等が形成されている。
【０１２８】
次いで、誘電体層Ｌ４は、アルミナ等の比誘電率が３〜１２程度の誘電体で形成されている。
次いで、給電用スロット層Ｌ３は、導電性を有する金属によって形成され、給電用結合手段である給電用スロット３０が複数形成されている。なお、給電用スロット層３０は、誘電体層Ｌ４に適宜設けられたスルーホールを介して移相回路層Ｌ５と接続され、移相回路層Ｌ５の接地として機能する。
【０１２９】
次いで、分配合成層Ｌ１には、複数の分配合成器２２が形成されている。分配合成器２２は、給電用スロット層Ｌ３に設けられた給電用スロット３０を介して移相回路層Ｌ５と電磁的に結合されている。１個の分配合成器２２と１個の給電用スロット３０とは、１個の給電ユニットを構成し、各ユニットはマトリックス状に配置されている。ただし、マトリックス状に配置されていないものも本発明に含まれる。
【０１３０】
なお、放射素子２は、マトリックス状に配置されていてもよいし、単に２次元的に配列されているだけでもよい。あるいは一方向に整列配置されていてもよい。また、図１５では分配合成器２２と移相回路層Ｌ５とが、給電用スロット層Ｌ３を介して電磁的に結合されているが、分配合成器２２と移相回路層Ｌ５とが給電ピン等の他の給電用結合手段で接続されている場合においては、同一面に形成されていてもよい。
【０１３１】
次に、図１５に示された移相回路層Ｌ５について詳細に説明する。
図１６は、移相回路層Ｌ５の１ユニットを示す平面図である。同図に示すようにガラス基板等の誘電体層Ｌ６には、放射素子４１、移相器群４０およびデータラッチ回路４６が形成されている。ただし、データラッチ回路４６は移相器４０ａ〜４０ｄの各ビット毎に設けられている。
【０１３２】
また、ストリップライン４２は、放射素子４１から移相器群４０を介して、図１５に示された給電用スロット３０に対応する位置まで配設されている。そして、放射素子４１としては、例えばパッチアンテナ、プリンテッドダイポール、スロットアンテナ、アパーチャ素子等が使用される。ストリップライン４２としては、マイクロストリップ線路、トリプレート線路、コプレーナ線路、スロット線路等の分布定数線路が使用される。
【０１３３】
また、図１６に示す移相器群４０は、全体で４ビットの移相器を構成しており、すなわち４個の移相器４０ａ，４０ｂ，４０ｃおよび４０ｄによって構成されている。各移相器４０ａ〜４０ｄは、それぞれ給電する位相を２２．５゜，４５゜，９０゜，１８０゜だけ変化させることができ、ストリップラインとマイクロマシンスイッチとで構成されている。
【０１３４】
ここで、移相器４０ａ〜４０ｃは、ストリップライン４２と接地４３との間に接続された２個のストリップライン４４と、ストリップライン４４の途中に接続されたマイクロマシンスイッチ４５とで構成されている。これらの移相器は、ローデッドライン形移相器を構成している。
【０１３５】
一方、移相器４０ｄでは、ストリップライン４２の途中に接続されたマイクロマシンスイッチ４５ａと、コの字型のストリップライン４４ａと、ストリップライン４４ａと接地４３との間に接続されたマイクロマシンスイッチ４５ａとで構成されている。この移相器は、スイッチドライン形移相器を構成している。
【０１３６】
一般に、移相量が小さい場合にはローデッドライン形の方が良い特性が得られ、移相量が大きい場合にはスイッチドライン形の方が良い特性が得られる。そのため、２２．５゜，４５゜，９０゜の移相器としてローデッドライン形を用い、１８０゜の移相器としてスイッチドライン形を用いている。もちろん、移相器４０ａ〜４０ｃに、スイッチドライン形を用いることも可能である。
【０１３７】
各移相器４０ａ〜４０ｄに含まれる２個のマイクロマシンスイッチ（４５または４５ａ）は、その近傍に配設されたデータラッチ回路４６に接続され、データラッチ回路４６が出力する駆動電圧によって同時に動作する。
このように、ストリップライン４２に流れる高周波信号は、移相器群４０の働きにより、その給電位相が変化させられる。
【０１３８】
なお、データラッチ回路４６を、各マイクロマシンスイッチの近傍に配置する代わりに、複数のデータラッチ回路を一カ所にまとめて配置し、そこから配線を延ばして各マイクロマシンスイッチを駆動するようにしてもよい。また、１個のデータラッチ回路を複数の異なるユニットのマイクロマシンスイッチに接続してもよい。
【０１３９】
図１７は、ローデッドライン形の移相器に用いられたマイクロマシンスイッチ４５周辺を拡大した平面図である。同図に示すように、２個のマイクロマシンスイッチ４５は、２個のストリップライン４４に対して左右対称となるように配設されている。また、これらマイクロマシンスイッチ４５は、図示しない１個のデータラッチ回路に接続され、データラッチ回路から同時に駆動電圧（外部電圧）が供給される。もちろん、このマイクロマシンスイッチ４５としては、第１〜４の実施の形態で述べたものを使用することができる。
【０１４０】
【発明の効果】
以上説明したとおり本発明は、下部電極と上部電極との間に中間電極を有し、かつ、接触電極に対向しかつ支持部材と絶縁された補強部材を備える。したがって、このような中間電極を設けたことによりスイッチを駆動する印加電圧を低減させることができる。例えば、接触電極と信号線とが４μｍのギャップをもつ場合には、従来例の約２／３まで電圧を低減させることができる。また、接触電極と信号線との距離を４μｍ以下にするときには、印加電圧の低減の効果はさらに増大し、従来例の１／２以下に抑えることも容易である。
【０１４１】
この中間電極は、従来の接触電極を作製するのと同時に作製することが可能であるため、スイッチ作製プロセスに特に追加の工程を加える必要がなく、コストの上昇が抑えられるという利点がある。そして、印加電圧を低減できることから、上部電極と下部電極との間の絶縁体膜に大きな電圧が印加されることを防ぐことができ、特に高品質の絶縁体膜を作製する必要がなくなり、スイッチ作製プロセスの選択性を広めることにつながる。したがって、従来この絶縁体膜の耐圧特性の限界から発生していたデバイスの破壊を防止することができる。また、外部駆動回路で必要とされる電圧も低下し、構成が簡略化されると同時に消費電力も低減した。
また、補強部材を設けたことにより、接触電極の反りを抑制でき、接触電極が信号線に対して片当たりするのを防ぐことができる。
【０１４２】
一方、下部電極を２個設けることにより、同一寸法で下部電極を１個もつ構造と比較した場合、印加電圧が高くなるものの絶縁体膜に電圧が印加されないため、低品質の絶縁体膜を使用したとしても絶縁破壊することがなくなった。印加電圧の上昇は、デバイスの寸法を増大させることによって補償することが可能であり、デバイス寸法が特に小さくする必要がないような応用に採用することができる。そして、何よりも上部電極の存在が必要でなくなり、下部電極に電圧を印加するだけでスイッチの駆動が可能となることから、スイッチの配線が簡略化されるという著しい効果が生ずる。このため、配線にともなうコストの上昇、デバイス構造の複雑化、長期信頼性の低下等の欠点が著しく改善される。
【０１４３】
また、本発明に係るマイクロマシンスイッチを作製するプロセスは、高い温度プロセスを利用できることから、次のような効果が得られる
１）梁部材等を構成する材料の選択が広がり、種々の導体および半導体を利用することを可能とし、材料選択の自由度を増大させる。
２）高温度で作製された絶縁体膜の耐圧特性がすぐれているためデバイスの電気特性が向上する。
３）厚さ方向の自由度が増大したため、梁部材の幅を減少することができ、スイッチの寸法を小さくすることが可能となる。
【０１４４】
以上の利点が生まれたために、本発明に係るマイクロマシンスイッチは、個々ばらばらにして使用する単純なスイッチに留まらず、大面積の基板上に数万個のオーダで集積化することが要求されるフェーズドアレイアンテナのような新たな応用を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考例１を示す平面図（ａ）およびそのＡ−Ａ’線断面図（ｂ）である。
【図２】 図１に係るマイクロマシンスイッチの製造工程を示す断面図である。
【図３】 図２の続きの製造工程を示す断面図である。
【図４】 本発明の第１の実施の形態を示す平面図（ａ）およびそのＢ−Ｂ’線断面図（ｂ）である。
【図５】 図４に係るマイクロマシンスイッチの製造工程を示す断面図である。
【図６】 図５の続きの製造工程を示す断面図である。
【図７】 本発明の第２の実施の形態を示す平面図（ａ）およびそのＣ−Ｃ’線断面図（ｂ）である。
【図８】 参考例２を示す断面図である。
【図９】 参考例３を示す断面図である。
【図１０】 参考例４を示す断面図である。
【図１１】 本発明の第３の実施の形態を示す平面図（ａ）およびそのＤ−Ｄ’線断面図（ｂ）である。
【図１２】 本発明の第４の実施の形態を示す平面図である。
【図１３】 本発明の第５の実施の形態を示す平面図である。
【図１４】 フェーズドアレイアンテナ装置（本発明の第６の実施の形態）を示すブロック図である。
【図１５】 図１４に係るフェーズドアレイアンテナ装置の詳細な構成を示す分解斜視図である。
【図１６】 図１５に係る移相回路を示す平面図である。
【図１７】 図１６に係るマイクロマシンスイッチの周辺を示す平面図である。
【図１８】 従来例を示す平面図（ａ）およびそのＥ−Ｅ’線断面図（ｂ）である。
【符号の説明】
１…基板、２…アース板、３，３ａ…信号線、４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ…下部電極、５…接触電極、６，６ａ，６ｂ…絶縁性部材、７…支持部材、８…片持ちアーム、８ａ…シリコン層、８ｂ…酸化シリコン層、９…上部電極、１０…補強部材、１１…基板、１２，１３…パタン、１４…スイッチ本体部、１５…中間電極、１６，１７…絶縁体膜、１８…埋め込み配線、２０…制御装置、２１…給電部、２２…分配合成器、２３…アンテナ、２４…移相回路、２４ａ…データ分配回路、２４ｂ…データラッチ回路、２４ｃ…移相器、３０…給電用スロット、３１…移相回路、３２…無給電素子、４０…移相器群、４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ…移相器、４１…放射素子、４２…ストリップライン、４３…接地、４４，４４ａ…ストリップライン、４５，４５ａ…マイクロマシンスイッチ、４６…データラッチ回路、Ｌ１…分配合成層、Ｌ２，Ｌ４，Ｌ６…誘電体層、Ｌ３…給電用スロット層、Ｌ５…移相回路層、Ｌ７…無給電素子層。
Claims (1)
- 基板上に設けられた第１の信号線と、前記基板上に設けられかつ前記第１の信号線の端部から所定のギャップを隔てて端部の設けられた第２の信号線との間の導通／非導通を制御するマイクロマシンスイッチにおいて、
前記基板上に設けられた支持部材と、
この支持部材に接続してかつ一部が前記ギャップと対向するように前記基板上に空間を隔てて設けられた梁部材と、
この梁部材の前記基板側における少なくとも前記ギャップと対向する位置に設けられた接触電極と、
前記基板上に前記梁部材の一部と対向して設けられた下部電極と、
前記梁部材に前記下部電極と対向して設けられた中間電極とを備え、
前記梁部材は、前記接触電極が設けられた面の反対側の面に、前記接触電極と対向して前記支持部材と絶縁された補強部材が設けられ、
さらに、前記梁部材は、前記支持部材との接続部分から少なくとも前記下部電極と対向する位置までの領域が導電性部材からなり、この導電性部材から前記接触電極までの領域が絶縁性部材のみからなることを特徴とするマイクロマシンスイッチ。
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