JP5202236B2

JP5202236B2 - 微小電気機械スイッチ及びその作製方法

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Inventors: 真弓三上; 小波泉
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Description

本発明は、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃｈａｌＳｙｓｔｅｍｓ）スイッチの構造に関する。

ＭＥＭＳは、「マイクロマシン」や「ＭＳＴ（ＭｉｃｒｏＳｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）」とも呼ばれ、微小な機械的構造体と、半導体素子による電気回路とを融合したシステムを指す。微小構造体は、トランジスタ等の半導体素子とは異なり、三次元的な立体構造を有し、その一部が可動する場合が多い。そして、電気回路は微小構造体の動作を制御し、または微小構造体からの信号を受信し処理する。このような微小構造体と電気回路とからなるマイクロマシンは、センサ、アクチュエータ、またはインダクタや可変容量のような受動素子等、様々な機能を持つことができる。

マイクロマシンを特徴づける微小構造体は、端部が基板に固定された梁構造の構造層を有し、基板と構造層との間には何もない空間部分がある。このように空間部分があるために構造層の一部が可動する微小構造体は、様々な機能を実現することができるが、その一つにスイッチがある。微小構造体で形成されるＭＥＭＳスイッチは、電界効果を利用したスイッチングトランジスタとは異なり、物理的な接触と非接触によりオン、オフするため、オフ時のアイソレーションの良さ、オン時の挿入損失の低さが利点である。

また、ＭＥＭＳは微小構造体だけで構成されず電気回路を有することが多いため、半導体集積回路と同じ、または似たプロセスを適用して作製できることが好ましく、本発明では薄膜を積層させて構造体を作製する表面マイクロマシン技術を用いたＭＥＭＳスイッチについて述べる。

ＭＥＭＳスイッチは、基板上にブリッジ構造（構造層）が設けられ、基板表面とブリッジ構造の基板側に相対する２対以上の電極を有し、一方の電極対に電圧を印加することで静電引力によりブリッジ構造が基板側に引き下げられ、もう一方の電極対が物理的に接触することで導通する（特許文献１、および特許文献２）。

また、電圧が印加される電極対の接触を回避するために、構造層の可動領域を制限するストッパ（バンパー、バンプとも記載）を形成するのが一般的である（特許文献１）。
特表２００５−５２８７５１号公報特開２００３−２１７４２３号公報

本発明に至るには異なる２つの課題があった。１つ目は、絶縁層へのチャージアップを回避するためのストッパを形成しなければならないが（特許文献１参照）、そのためには別途フォトマスクが必要となることである。製造コストを削減するためにも、フォトマスクの枚数を減らし、工程数を減らしたいので、フォトマスクの追加を行わずにストッパを形成することが好ましい。

２つ目は、上部電極の形成時に生じる犠牲層へのオーバーエッチングにより、構造層が上部電極の下面よりも下に出っ張り、上部スイッチ電極と下部スイッチ電極とが接触するのを妨げてしまうというプロセス起因の問題である。

本発明の１つは、最初に、後者の問題を解決しようとするものである。そして、その問題によって前者を解決することができる。

本発明の微小電気機械スイッチ（ＭＥＭＳスイッチ）は、上部スイッチ電極の面積を下部スイッチ電極の面積よりも大きくすることで、上記オーバーエッチングによる構造層の出っ張りが生じたとしても、上部スイッチ電極及び下部スイッチ電極の接触が妨げられるのを防ぐことができる。

また、本発明の微小電気機械スイッチは、上部駆動電極の面積を下部の駆動電極の面積よりも小さくし、上記オーバーエッチングにより構造層が上部駆動電極下面よりも下に出っ張った部分を、上部駆動電極及び下部駆動電極が接触するのを妨げるストッパとすることができる。

さらに、本発明の微小電気機械スイッチは、上部スイッチ電極の面積を下部スイッチ電極の面積よりも大きくし、かつ、上部駆動電極の面積を下部駆動電極の面積よりも小さくする。これにより、上部スイッチ電極及び下部スイッチ電極の接触が妨げられるのを防ぐことができ、上部駆動電極及び下部駆動電極が接触するのを妨げるストッパを設けることができる。

本発明により、上部スイッチ電極と下部スイッチ電極とが接触するのを妨げてしまうというプロセス起因の問題を回避することができる。

さらに、フォトマスクの追加、工程の追加をすることなく、スイッチの上部電極及び下部電極が接触するのを妨げるストッパを形成することができる。

そして、これら二つの問題を、上部電極のフォトマスク１枚の設計で同時に対応することができるため、製造にかかる経費を削減することができる。

本発明の実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されない。本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解されるからである。したがって、本発明は以下に示す実施の形態および実施例の記載内容のみに限定して解釈されるものではない。なお、図面を用いて本発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる場合がある。

［実施の形態１］
まず、本発明の微小電気機械スイッチ（ＭＥＭＳスイッチ）の構成とその作製方法を示す。

微小電気機械スイッチ（ＭＥＭＳスイッチ）は、図１に示すように、両端が基板に固定された梁構造を有する構造層１１６と、構造層１１６の下に設けられた下部駆動電極層１１２ａ、および下部スイッチ電極層１１４ａと、構造層１１６の基板１１１に対向する面に設けられた上部駆動電極層１１２ｂ、および上部スイッチ電極層１１４ｂによって構成される。

上部駆動電極層１１２ｂ及び下部駆動電極層１１２ａ、および上部スイッチ電極層１１４ｂ及び下部スイッチ電極層１１４ａは、向かい合う位置に配置されている。そして、上部駆動電極層１１２ｂ及び下部駆動電極層１１２ａの間に電位差を与えると、静電引力により構造層１１６が基板１１１側に引き寄せられ、上部スイッチ電極層１１４ｂ及び下部スイッチ電極層１１４ａが接触することでスイッチとして機能する。

図１では、構造層１１６は両端が基板１１１に固定された両持ち梁構造を有しているが、片方の端が基板に固定された片持ち梁構造でもよい。また、図１のＭＥＭＳスイッチは上部及び下部の駆動電極層が２つずつあり、それら駆動電極層の間にスイッチ電極層が形成されている構成を示しているが、１つのスイッチに駆動電極層が２つある必要はなく、１つでもよく３つ以上でも良い。

下部駆動電極層１１２ａおよび下部スイッチ電極層１１４ａは基板１１１の表面に形成されており、これらをまとめて下部電極層１２１と記載する場合がある。同様に上部駆動電極層１１２ｂおよび上部スイッチ電極層１１４ｂは構造層１１６の基板１１１に向かう面に形成されており、これらをまとめて上部電極層１２２と記載する場合がある。さらに、上部駆動電極層１１２ｂおよび下部駆動電極層１１２ａをまとめて駆動電極層１１２（または引き下げ電極層）とし、上部スイッチ電極層１１４ｂおよび下部スイッチ電極層１１４ａをまとめてスイッチ電極層１１４（または接触電極層、接点電極層）と呼ぶ場合がある。

またスイッチを駆動させる際、上部スイッチ電極層１１４ｂ及び下部スイッチ電極層１１４ａが先に接触するように、下部駆動電極層１１２ａよりも下部スイッチ電極層１１４ａを厚く形成する。

これは、上部駆動電極層１１２ｂ及び下部駆動電極層１１２ａの間に、電圧が印加されると、その間に引力が働くため、上部駆動電極層１１２ｂと下部駆動電極層１１２ａの間の距離と、上部スイッチ電極層１１４ｂと下部スイッチ電極層１１４ａの間の距離が同じであれば、上部駆動電極層１１２ｂと下部駆動電極層１１２ａの方が接触しやすくなるからである。

従って、ここでは図示しないが、上部スイッチ電極層１１４ｂを、下に出っ張るように厚く形成して、上部スイッチ電極層１１４ｂと下部スイッチ電極層１１４ａとの間の距離を小さくしてもよい。

次に、微小電気機械スイッチの作製方法について、図２（Ａ）〜図２（Ｅ）、図３（Ａ）〜図３（Ｃ）、図４（Ａ）〜図４（Ｅ）、図５（Ａ）〜図５（Ｂ）を用いて説明する。

まず、図２（Ａ）に示すように、基板１１１上に下部電極層１２１を形成する。

ここで、基板１１１はシリコン基板（半導体基板）、ガラス基板、金属基板などどのようなものを用いてもよく、表面に絶縁性を有する層を形成した基板を用いる。ただし、図２（Ａ）では絶縁性を有する層は示していない。

その上に、図２（Ｂ）に示すように、犠牲層１２３を形成する。犠牲層１２３は、微小電気機械スイッチの空間部分を形成するために必要な部分に形成する。

そして、図２（Ｃ）に示すように、犠牲層１２３の上に上部電極層１２２を形成する。

そして、図２（Ｄ）に示すように、犠牲層１２３と上部電極層１２２の上に構造層１１６を形成する。構造層１１６は、絶縁性を有する材料をＣＶＤ法によって形成するため、犠牲層１２３によってできている大きな段差に丸みを帯びさせることができる。構造層１１６は、例えば、絶縁性を有する層を用いて形成してもよく、具体的には、窒素を含む酸化珪素膜、または酸素を含む窒化珪素膜のうちいずれか一方、またはそれらの積層で形成してもよい。

次に、図２（Ｅ）に示すように、構造層１１６にコンタクトホールを形成する。このコンタクトホールは、上部電極層１２２が存在する部分にのみ開口し、犠牲層１２３がむき出しになるようなことはない。そして、コンタクトホールを介して上部駆動電極層１１２ｂに電気的に接続する配線層１２４ａ及び配線層１２４ｂを形成する。配線層１２４ａ及び配線層１２４ｂは、例えばアルミニウムのような柔らかい金属を用いて厚めに形成する。配線層１２４ａ及び配線層１２４ｂの材料として、このような柔らかい金属を用いると、犠牲層１２３や構造層１１６のために生じた大きな段差を乗り越える際に、断線が生じるのを防ぐことができる。

そして、図３（Ａ）に示すように、構造層１１６の形状を作成し、かつ犠牲層１２３のエッチングの際のエッチャントの導入孔１２５を形成するように構造層１１６を加工する。構造層１１６の形状は、断面から見れば図３（Ａ）に示されるように構造層１１６と上部電極層１２２とを貫通する穴であるが、上面から見れば、図３（Ｃ）に示すようなスイッチの形状になる。図３（Ｃ）の形状は両持ち梁構造の一例であり、これに限定されることはない。

最後に、図３（Ｂ）に示すように、エッチングにより犠牲層１２３を取り除き、そこを空間部分１１５にすることによってＭＥＭＳスイッチが完成する。

上記作製方法によって形成される構造層１１６、犠牲層１２３、上部電極層１２２、下部電極層１２１等の各層の材料は、各層に要求される性質を備え、さらに他の層との関係を考慮して決定される。

例えば、構造層１１６は絶縁性を有する材料でなければならない。しかし、絶縁性を有する層なら何を使用してもよいわけではなく、犠牲層１２３をエッチング時にはエッチング材に暴露するため、そのエッチング材で除去されないという条件を考慮する必要がある。さらに、そのエッチング材は、犠牲層１２３の材料によって決定される。

具体的には、例えば犠牲層１２３をシリコンで形成する場合、エッチング材にはリン酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化セシウム等アルカリ金属の水酸化物、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）溶液などを使用することができる。そして、これらのエッチング材を使用しても除去されない材料（かつ、絶縁性を有する材料）を構造層１１６に使用しなければならず、その例として酸化シリコンが挙げられる。

さらに、犠牲層１２３をエッチングする時には、上下の電極層もエッチング材に暴露するため、上部電極層１２２及び下部電極層１２１は導電性を有し、さらに犠牲層１２３をエッチング時のエッチング材に除去されないという条件を考慮して決定される。

本実施の形態では、例えば、構造層１１６を酸化シリコン、犠牲層１２３をタングステン（またはポリイミド）、上部電極層１２２及び下部電極層１２１はタンタル、アルミニウム、チタン、金、白金等の金属で形成することができる。そして、犠牲層１２３をタングステンで形成した場合、犠牲層１２３のエッチングはアンモニア過水（２８ｗ％のアンモニアと３１ｗ％の過酸化水素水を１：２で混合した溶液）によるウエットエッチング、または３フッ化塩素ガスによるドライエッチングで行うことができる。また、犠牲層１２３をポリイミドで形成した場合、市販のポリイミドエッチング液によるウエットエッチング、または酸素プラズマによるドライエッチングにより犠牲層１２３のエッチングを行うことができる。

次に、上部電極層１２２と下部電極層１２１との大きさの関係とスイッチの構造について説明する。図４は、ＭＥＭＳスイッチの一部をとってその作製プロセスを示している。ただし、ここでは構造層１１６が基板１１１に固定されている部分は示されていない。

まず、図４（Ａ）に示すように、基板２０１上に、電極層２０２ａ及び電極層２０３ａを含む下部電極層２２１を形成し、その上に犠牲層２０４を形成する。その上に、電極層２０２ｂ及び電極層２０３ｂを含む上部電極層２２２となる導電層２０５を形成する。そして、導電層２０５を上部電極層２２２の形状にするために、導電層２０５上にフォトレジストを成膜してフォトリソグラフィ法によりレジストマスク２０６ａ及びレジストマスク２０６ｂを形成する。

そして、図４（Ｂ）に示すように、導電層２０５をレジストマスク２０６ａ及びレジストマスク２０６ｂの形状にエッチングする。このエッチングはドライエッチングおよびウエットエッチングのどちらを用いてもよいが、複数の上部電極層２２２は、各々が完全に分離されている必要がある。これは、上部電極層２２２には駆動電極層とスイッチ電極層とがあり、駆動電極層には高い電圧が印加され、スイッチ電極層には信号が流れ、これらを完全に絶縁する必要があるためである。したがって、導電層２０５のエッチングは、導電層２０５の厚さをエッチングするのに必要な基準エッチング時間よりもさらに長い時間エッチングする必要がある。

そして、導電層２０５をオーバーエッチングすると、その下にある犠牲層２０４も少なからずエッチングされてしまう。このとき犠牲層２０４がエッチングされる量は、導電層２０５のエッチング材や、エッチングの条件（温度やガスの流量など）に影響されるが、どのように選択比が高い条件を用いても、犠牲層２０４が全くエッチングされない条件というのは考えがたい。

その理由の１つに、犠牲層２０４は、導電性を有する材料、または容易にエッチングで除去しやすい材料を用いて形成することが望ましいからである。

ＭＥＭＳスイッチは、構造上、犠牲層２０４を完全に除去することによって上部スイッチ電極層と下部スイッチ電極層とが接触することができる。したがって、スイッチ電極層の表面に少しでも犠牲層２０４が残っていればスイッチは導通しなくなる。それを回避するためには、容易に除去できる材料を用いて犠牲層２０４を形成し、エッチング時には完全に除去できるようにするか、または導電性を有する材料を用いてエッチング時に完全に除去できなくても導通障害が生じないように形成するのがよい。

前者の、容易に除去できる材料にはレジストやポリイミドが挙げられるが、これらは、どのようなエッチング材にもエッチングされやすい性質を有し、導電層２０５エッチング時に導電層２０５と犠牲層２０４との選択比を高く取ることは非常に難しくなる。

後者の導電性を有する材料には、金属や不純物を添加した半導体などが挙げられる。しかし、上部電極層２２２も導電性を有している必要があり、導電性を有する材料は似たようなエッチング材で除去できることが多く、これもまた、導電層２０５と犠牲層２０４との選択比を高く取ることは非常に難しくなる。

例えば、犠牲層２０４をタングステンで形成、導電層２０５をアルミニウムとチタンとの積層（アルミニウム３００ｎｍの上にチタン１００ｎｍ）で形成し、導電層２０５を３塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）と塩素（Ｃｌ_２）との混合ガスを用いてドライエッチングを行う場合について説明する。この場合、導電層２０５をエッチングする条件が、ＩＰＣ電力４５０Ｗ、バイアス電力１００Ｗ、３塩化ホウ素流量６０ｓｃｃｍ、塩素流量２０ｓｃｃｍ、チャンバー内圧力１．９Ｐａで、導電層２０５の基準エッチング時間は１５０秒である。そして、その基準エッチング時間に対して１００％のオーバーエッチングを行えば（つまり、基準時間の２倍のエッチングを行えば）、犠牲層２０４のタングステンは１００ｎｍ程度エッチングされる。

もちろん、通常のエッチングにおいてはオーバーエッチングは少ない方が好ましいのであるが、この導電層２０５の加工のように完全に絶縁しなければならないような場合にはオーバーエッチング時間を長く設定する。そして、この完全な絶縁をねらった場合のオーバーエッチング時間は、導電層２０５を形成している材料によって大きく異なるが、必要な基準エッチング時間の１０〜２５０％程度であり（すなわち、基準時間の１．１倍〜３．５倍、またあるいはエッチング時間が基準時間より１０〜２５０％程度長い）、好ましくは５０〜２００％（すなわち、基準時間の１．５倍〜３倍、またあるいはエッチング時間が基準時間より５０〜２００％程度長い）、最も好ましくは９０〜１１０％（すなわち基準時間の１．９倍〜２．１倍、またあるいはエッチング時間が基準時間より９０〜１１０％程度長い）である。

このように、導電層２０５をエッチングして上部電極層２２２を形成すると、図４（Ｂ）に示されるように、犠牲層２０４には、導電層２０５の加工時のオーバーエッチングによる段差２０８ａ、段差２０８ｂ、段差２０８ｃが生じる。

その上に、図４（Ｃ）に示すように構造層２０９を形成し、エッチングにより犠牲層２０４を除去すると、図４（Ｄ）に示すように、構造層２０９の基板２０１側の表面は、上部電極層２２２の（基板２０１側の）表面よりも出っ張ることになる。これは、上部電極層２２２を加工する際に生じた犠牲層２０４の段差２０８ａ、段差２０８ｂ、段差２０８ｃが、構造層２０９に反映された出っ張りである。この出っ張りを出っ張り２１１ａ、出っ張り２１１ｂ、出っ張り２１１ｃとする。

ここで、基板２０１の表面から上の方向を正の方向とすれば、構造層２０９の出っ張り２１１ａ、出っ張り２１１ｂ、出っ張り２１１ｃは負の方向に出っ張っていることになる。すなわち、構造層２０９の基板２０１側の表面の方が、上部電極層２２２の基板２０１側の表面よりも基板２０１に近いと言うこともできる。

このように作製したＭＥＭＳスイッチを駆動させようとした場合、図４（Ｅ）に示すように、構造層２０９の出っ張り２１１ａ、出っ張り２１１ｂ、出っ張り２１１ｃが下部電極層２２１と接触し、上部の電極層２０２ｂと下部の電極層２０２ａ、並びに、上部の電極層２０３ｂ及び下部の電極層２０３ａとが接触することができず、スイッチとして機能できない。

しかし、上記したように、構造層２０９の出っ張り２１１ａ、出っ張り２１１ｂ、出っ張り２１１ｃをプロセス的に回避することは非常に難しい。したがって、出っ張り２１１ａ、出っ張り２１１ｂ、出っ張り２１１ｃをなくすことができないのであれば、出っ張り２１１ａ、出っ張り２１１ｂ、出っ張り２１１ｃがあってもスイッチとして機能するような構造にする必要がある。そのためには、図５（Ａ）〜図５（Ｂ）に示すように、上部電極層２２２を下部電極層２２１よりも大きくすればよい。

このように、上部電極層２２２を大きくすれば、構造層２０９の出っ張り２１１ａ、出っ張り２１１ｂ、出っ張り２１１ｃがあったとしても、それが下部電極層２２１と基板２０１とでできる段差の間に入るので、上部電極層２２２と下部電極層２２１との接触を阻害することがない。

したがって、微小電気機械スイッチ（ＭＥＭＳスイッチ）において、スイッチ電極層のように、上部電極層と下部電極層とが接触する必要がある場合には、上部電極層を下部電極層よりも大きな面積になるように構造を決定する。

大きな面積にするとは、例えば上部電極層や下部電極層が正方形や長方形である場合、各辺とも下部電極層より上部電極層の方が辺が長く、円形であれば下部電極層より上部電極層の方が半径が長くする。つまり、上部電極層と下部電極層とを重ね合わせた場合、上部電極層が下部電極層を完全に包含する形状にすることである。これは、上部電極層の形状を決める辺と下部電極層の辺とが重ならず、常に上部電極層の辺が下部電極層の辺よりも外側にあるということもできる。ただし、上下電極層の引き回し配線部分が考慮できない場合は、そこは除外することもできる。

また、上部電極層が向かい合う下部電極層より大きくても、向かい合う下部電極層と隣接する下部電極層にまで重なる程大きくすることはできない。そのようにすれば、構造層の出っ張り部分が下部電極層に接触してしまい、上部電極層と下部電極層が接触するのを阻害してしまう。また、ＭＥＭＳスイッチでは上部電極層と下部電極層は対にして形成するため、一つの上部電極層が向かい合う下部電極層と隣接する他の下部電極層にまで重なる程大きくすることはできない。

スイッチ電極層とが接触しなければならないので、本発明の微小電気機械スイッチ（ＭＥＭＳスイッチ）は上部のスイッチ電極層は下部のスイッチ電極層よりも大きくすることを特徴とする。

［実施の形態２］
本実施の形態を、図６（Ａ）〜図６（Ｂ）を用いて説明する。

実施の形態１ではスイッチ電極層について説明したが、本実施の形態では駆動電極層について説明する。

微小電気機械スイッチ（ＭＥＭＳスイッチ）がスイッチとして機能するためには、上部スイッチ電極層及び下部スイッチ電極層が良好に接触する必要がある。しかし、上部駆動電極層及び下部駆動電極層は接触させない。上部駆動電極層及び下部駆動電極層には高い電位差を与えるために、接触すれば大きな電流が流れてしまい、スイッチの駆動に非常に大きな電力を消費してしまう。また、上部駆動電極層及び下部駆動電極層に電流が流れると、放電による微小な溶接が起こり、上下駆動電極層のスティッキングが生じてしまう。

上下駆動電極層のスティッキングを回避するためには、駆動電極層の表面、すなわち上面あるいは下面のどちらか一方、または両方、に絶縁層を形成してもよいが、後述の理由のため好ましくない。すなわち、駆動電極層の表面に絶縁層を形成した場合、スイッチを駆動させるためには、上部駆動電極層と下部駆動電極層に高い電圧を印加するため、駆動電極層上に形成された絶縁層が分極することや電荷がトラップされることにより、結局は駆動電極層がスティッキングを起こしてしまうためである。

したがって、上部駆動電極層及び下部駆動電極層の接触を回避するためには、構造層の可動領域を制限するストッパ（バンパー、バンプとも記載）を形成すればよい。しかし、このストッパを形成するためには、更にフォトマスクと作製工程を追加しなければならない。

しかしながら、本実施の形態では、実施の形態１において図４（Ｅ）で説明したように、上部電極層２２２と下部電極層２２１の接触を阻害する構造層２０９の出っ張り２１１ａ、出っ張り２１１ｂ、出っ張り２１１ｃを利用することで、フォトマスクおよび工程の追加なしにストッパを形成することができる。

微小電気機械スイッチの具体的な構造の例を図６（Ａ）〜図６（Ｂ）に示す。図６（Ａ）は、上部駆動電極層４０２ｂと下部駆動電極層４０２ａに電圧がかかっていない状態の断面図、図６（Ｂ）は、上部駆動電極層４０２ｂと下部駆動電極層４０２ａに電圧がかかっている状態の断面図である。

図６（Ａ）〜図６（Ｂ）に示す微小電気機械スイッチは、基板４０１、構造層４０９、上部電極層４２２、下部電極層４２１を有している。また上部電極層４２２は、上部駆動電極層４０２ｂ及び上部スイッチ電極層４０４ｂを有しており、下部電極層４２１は、下部駆動電極層４０２ａ及び下部スイッチ電極層４０４ａを有している。

基板４０１と構造層４０９との間には、空間部分４１５が存在している。また上部電極層４２２の周囲は、構造層４０９の出っ張り４１１ａ、出っ張り４１１ｂ、出っ張り４１１ｃ、出っ張り４１１ｄが存在する。

本実施の形態の微小電気機械スイッチは、上部駆動電極層４０２ｂを下部駆動電極層４０２ａよりも小さくすることを特徴とする。また、上部スイッチ電極層４０４ｂと下部スイッチ電極層４０４ａに関してはそれらの接触が良好に行われるように、実施の形態１と同様、上部スイッチ電極層４０４ｂを下部スイッチ電極層４０４ａよりも大きくする。

上部駆動電極層４０２ｂが下部駆動電極層４０２ａよりも小さければ、図６（Ｂ）に示すように、上部電極層４２２の周囲にできる構造層４０９の出っ張り４１１ａ、出っ張り４１１ｂ、出っ張り４１１ｃ、出っ張り４１１ｄにより、上部駆動電極層４０２ｂ及び下部駆動電極層４０２ａの間に、空間部分ができることにより、上部駆動電極層４０２ｂ及び下部駆動電極層４０２ａの接触が妨げられる。

このような構成を有するＭＥＭＳスイッチは、上部電極層４２２の形状を決めるフォトマスクのデザインと、実施の形態１で説明した方法により作製することができる。上部電極層４２２形成のフォトマスクはストッパの有無にかかわらず必要であるため、本発明はフォトマスクおよび工程の追加なしに、上部駆動電極層４０２ｂと下部駆動電極層４０２ａの接触を抑制するストッパを有するＭＥＭＳスイッチを作製することができる。

本実施例では、実施の形態１及び実施の形態２で説明したように、スイッチの上下駆動電極層が接触するのを妨げるストッパを形成し、かつ上部スイッチ電極層と下部スイッチ電極層とが接触するスイッチを作製した結果について説明する。

スイッチの作製方法は、実施の形態１及び実施の形態２で説明した通りである。まず、基板上に下地層を形成し、下地層上に下部電極層を形成する。次に、下部電極層を覆うように犠牲層を形成し、犠牲層上に上部電極層を形成する。ここで、下地層、下部電極層、および犠牲層は、要求される性質を有する層を任意の厚さで形成し、フォトリソグラフィ法およびエッチングにより加工すればよい。

本実施例では、ガラス基板を用い、下地層として酸素を含む窒化珪素膜を３００ｎｍ形成し、下部電極層としてはアルミニウム膜を３００ｎｍの膜厚で、チタン膜を１００ｎｍの膜厚で積層させたものを用いて形成する。アルミニウム膜の上にチタン膜を積層させるのは、アルミニウム膜のみでは高い温度に耐えられないためである。次に、犠牲層としてタングステン膜を２μｍ成膜したものを用いて形成する。

そして、上部電極層は下部電極層と同様、アルミニウム膜を３００ｎｍの膜厚で、チタン膜を１００ｎｍの膜厚で積層したものを用いて形成する。本実施例において導電層は、３塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）と塩素（Ｃｌ_２）との混合ガスを用いてドライエッチングによりエッチングされる。導電層をエッチングする条件は、ＩＰＣ電力４５０Ｗ、バイアス電力１００Ｗ、３塩化ホウ素流量６０ｓｃｃｍ、塩素流量２０ｓｃｃｍ、チャンバ内圧力１．９Ｐａで、導電層の基準エッチング時間は１５０秒である。そして、その基準エッチング時間に対して１００％のオーバーエッチングを行う。その結果、上部電極層の下にある犠牲層を厚さ１００ｎｍ程度オーバーエッチングすることになる。

次に、犠牲層と上部電極層を覆うように構造層を形成し、構造層にコンタクトホールをあけて、配線層を形成する。そして、構造層を加工し、犠牲層をエッチングすることでＭＥＭＳスイッチが完成する。ここで、構造層および配線層は他の層と同様に、および犠牲層は、要求される性質を有する層を任意の厚さで形成し、フォトリソグラフィ法およびエッチングにより加工すればよい。

本実施例では、構造層は酸素を含む窒化珪素膜を３μｍの膜厚で成膜し、配線層はアルミニウム膜を３００ｎｍの膜厚で、チタン膜を１００ｎｍの膜厚で積層させ、加工する。そして、犠牲層のエッチングは、３フッ化塩素のガスを用いて常温、常圧でドライエッチングにて行う。

このように作製したＭＥＭＳスイッチのＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）像を図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示す。図７（Ａ）は作製したＭＥＭＳスイッチの斜め上方からみた像であり、図７（Ｂ）はＭＥＭＳスイッチの上部電極層端部を拡大した像である。図７（Ｂ）から、上部電極層のエッチングによって犠牲層がエッチングされ、それを反映して構造層に出っ張りが形成されていることが分かる。

ここで、本発明では、上部スイッチ電極層の面積を下部スイッチ電極層の面積よりも大きくし、かつ、上部駆動電極層の面積を下部駆動電極層の面積よりも小さくすることで、上部スイッチ電極層と下部スイッチ電極層の接触が妨げられるのを防ぐことができ、上部の駆動電極層と下部駆動電極層が接触するのを妨げるストッパを設けることができる。

そして、上記の工程で作成したＭＥＭＳスイッチの上部駆動電極層と下部駆動電極層に電圧を印加すると、上部スイッチ電極層及び下部スイッチ電極層は接触するが、上部駆動電極層及び下部駆動電極層は接触しないことが確認できる。

本発明のＭＥＭＳスイッチの断面図。本発明のＭＥＭＳスイッチの作製工程を示す断面図。本発明のＭＥＭＳスイッチの作製工程を示す断面図。本発明のＭＥＭＳスイッチの作製工程を示す断面図。本発明のＭＥＭＳスイッチの作製工程を示す断面図。本発明のＭＥＭＳスイッチの断面図。本発明のＭＥＭＳスイッチのＳＥＭ像。

符号の説明

１１１基板
１１２駆動電極層
１１２ａ下部駆動電極層
１１２ｂ上部駆動電極層
１１４スイッチ電極層
１１４ａ下部スイッチ電極層
１１４ｂ上部スイッチ電極層
１１５空間部分
１１６構造層
１２１下部電極層
１２２上部電極層
１２３犠牲層
１２４ａ配線層
１２４ｂ配線層
１２５導入孔
２０１基板
２０２ａ電極層
２０２ｂ電極層
２０３ａ電極層
２０３ｂ電極層
２０４犠牲層
２０５導電層
２０６ａレジストマスク
２０６ｂレジストマスク
２０８ａ段差
２０８ｂ段差
２０８ｃ段差
２０９構造層
２１１ａ出っ張り
２１１ｂ出っ張り
２１１ｃ出っ張り
２２１下部電極層
２２２上部電極層
４０１基板
４０２ａ下部駆動電極層
４０２ｂ上部駆動電極層
４０４ａ下部スイッチ電極層
４０４ｂ上部スイッチ電極層
４０９構造層
４１１ａ出っ張り
４１１ｂ出っ張り
４１１ｃ出っ張り
４１１ｄ出っ張り
４１５空間部分
４２１下部電極層
４２２上部電極層

Claims

基板上に下部スイッチ電極層を有し、
前記基板上に第１の下部駆動電極層を有し、
前記下部スイッチ電極層上と前記第１の下部駆動電極層上とに空間部分を有し、
前記空間部分上に上部スイッチ電極層を有し、
前記空間部分上に第１の上部駆動電極層を有し、
前記空間部分上と前記上部スイッチ電極層上と前記第１の上部駆動電極層上とに構造層を有し、
前記構造層は、第１乃至第３の部分を有し、
前記第１の部分の下部表面は、前記上部スイッチ電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第２の部分の下部表面は、前記上部スイッチ電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第３の部分の下部表面は、前記上部スイッチ電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第１の部分の下部表面は、前記第１の上部駆動電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第２の部分の下部表面は、前記第１の上部駆動電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第３の部分の下部表面は、前記第１の上部駆動電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第１の上部駆動電極層は、前記第１の部分と前記第２の部分との間に位置し、
前記上部スイッチ電極層は、前記第２の部分と前記第３の部分との間に位置し、
前記第１の部分は、前記第１の下部駆動電極層と重なる領域を有し、
前記第１の部分は、前記下部スイッチ電極層と重ならず、
前記第２の部分は、前記第１の下部駆動電極層と重なる領域を有し、
前記第２の部分は、前記下部スイッチ電極層と重ならず、
前記第３の部分は、前記第１の下部駆動電極層と重ならず、
前記第３の部分は、前記下部スイッチ電極層と重ならず、
前記第１の上部駆動電極層は、前記第１の下部駆動電極層と重なる領域を有し、
前記第１の上部駆動電極層は、前記下部スイッチ電極層と重ならず、
前記上部スイッチ電極層は、前記第１の下部駆動電極層と重ならず、
前記上部スイッチ電極層は、前記下部スイッチ電極層と重なる領域を有し、
前記下部スイッチ電極層の上部表面は、前記第１の下部駆動電極層の上部表面よりも出っ張っていることを特徴とする微小電気機械スイッチ。
基板上に下部スイッチ電極層を有し、
前記基板上に第１の下部駆動電極層を有し、
前記基板上に第２の下部駆動電極層を有し、
前記下部スイッチ電極層上と前記第１の下部駆動電極層上と前記第２の下部駆動電極層上とに空間部分を有し、
前記空間部分上に上部スイッチ電極層を有し、
前記空間部分上に第１の上部駆動電極層を有し、
前記空間部分上に第２の上部駆動電極層を有し、
前記空間部分上と前記上部スイッチ電極層上と前記第１の上部駆動電極層上と前記第２の上部駆動電極層上とに構造層を有し、
前記構造層は、第１乃至第４の部分を有し、
前記第１の部分の下部表面は、前記上部スイッチ電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第２の部分の下部表面は、前記上部スイッチ電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第３の部分の下部表面は、前記上部スイッチ電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第４の部分の下部表面は、前記上部スイッチ電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第１の部分の下部表面は、前記第１の上部駆動電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第２の部分の下部表面は、前記第１の上部駆動電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第３の部分の下部表面は、前記第１の上部駆動電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第４の部分の下部表面は、前記第１の上部駆動電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第１の部分の下部表面は、前記第２の上部駆動電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第２の部分の下部表面は、前記第２の上部駆動電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第３の部分の下部表面は、前記第２の上部駆動電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第４の部分の下部表面は、前記第２の上部駆動電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第１の上部駆動電極層は、前記第１の部分と前記第２の部分との間に位置し、
前記上部スイッチ電極層は、前記第２の部分と前記第３の部分との間に位置し、
前記第２の上部駆動電極層は、前記第３の部分と前記第４の部分との間に位置し、
前記第１の部分は、前記第１の下部駆動電極層と重なる領域を有し、
前記第１の部分は、前記下部スイッチ電極層と重ならず、
前記第１の部分は、前記第２の下部駆動電極層と重ならず、
前記第２の部分は、前記第１の下部駆動電極層と重なる領域を有し、
前記第２の部分は、前記下部スイッチ電極層と重ならず、
前記第２の部分は、前記第２の下部駆動電極層と重ならず、
前記第３の部分は、前記第１の下部駆動電極層と重ならず、
前記第３の部分は、前記下部スイッチ電極層と重ならず、
前記第３の部分は、前記第２の下部駆動電極層と重なる領域を有し、
前記第４の部分は、前記第１の下部駆動電極層と重ならず、
前記第４の部分は、前記下部スイッチ電極層と重ならず、
前記第４の部分は、前記第２の下部駆動電極層と重なる領域を有し、
前記第１の上部駆動電極層は、前記第１の下部駆動電極層と重なる領域を有し、
前記第１の上部駆動電極層は、前記下部スイッチ電極層と重ならず、
前記第１の上部駆動電極層は、前記第２の下部駆動電極層と重ならず、
前記上部スイッチ電極層は、前記第１の下部駆動電極層と重ならず、
前記上部スイッチ電極層は、前記下部スイッチ電極層と重なる領域を有し、
前記上部スイッチ電極層は、前記第２の下部駆動電極層と重ならず、
前記第２の上部駆動電極層は、前記第１の下部駆動電極層と重ならず、
前記第２の上部駆動電極層は、前記下部スイッチ電極層と重ならず、
前記第２の上部駆動電極層は、前記第２の下部駆動電極層と重なる領域を有し、
前記下部スイッチ電極層の上部表面は、前記第１の下部駆動電極層の上部表面よりも出っ張っており、
前記下部スイッチ電極層の上部表面は、前記第２の下部駆動電極層の上部表面よりも出っ張っていることを特徴とする微小電気機械スイッチ。
基板上に下部スイッチ電極層を有し、
前記基板上に第１の下部駆動電極層を有し、
前記下部スイッチ電極層上と前記第１の下部駆動電極層上とに空間部分を有し、
前記空間部分上に上部スイッチ電極層を有し、
前記空間部分上に第１の上部駆動電極層を有し、
前記空間部分上と前記上部スイッチ電極層上と前記第１の上部駆動電極層上とに構造層を有し、
前記構造層は、第１乃至第３の部分を有し、
前記第１の部分の下部表面は、前記上部スイッチ電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第２の部分の下部表面は、前記上部スイッチ電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第３の部分の下部表面は、前記上部スイッチ電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第１の部分の下部表面は、前記第１の上部駆動電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第２の部分の下部表面は、前記第１の上部駆動電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第３の部分の下部表面は、前記第１の上部駆動電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第１の上部駆動電極層は、前記第１の部分と前記第２の部分との間に位置し、
前記上部スイッチ電極層は、前記第２の部分と前記第３の部分との間に位置し、
前記第１の部分は、前記第１の下部駆動電極層と重なる領域を有し、
前記第１の部分は、前記下部スイッチ電極層と重ならず、
前記第２の部分は、前記第１の下部駆動電極層と重なる領域を有し、
前記第２の部分は、前記下部スイッチ電極層と重ならず、
前記第３の部分は、前記第１の下部駆動電極層と重ならず、
前記第３の部分は、前記下部スイッチ電極層と重ならず、
前記第１の上部駆動電極層は、前記第１の下部駆動電極層と重なる領域を有し、
前記第１の上部駆動電極層は、前記下部スイッチ電極層と重ならず、
前記上部スイッチ電極層は、前記第１の下部駆動電極層と重ならず、
前記上部スイッチ電極層は、前記下部スイッチ電極層と重なる領域を有し、
前記下部スイッチ電極層の上部表面は、前記第１の下部駆動電極層の上部表面よりも出っ張っている微小電気機械スイッチの作製方法であって、
前記基板上に、前記下部スイッチ電極層と前記第１の下部駆動電極層とを形成する第１の工程と、
前記下部スイッチ電極層上と前記第１の下部駆動電極層上とに犠牲層を形成する第２の工程と、
前記犠牲層上に、導電層を形成する第３の工程と、
前記導電層をエッチングして前記上部スイッチ電極層と前記第１の上部駆動電極層とを形成し、オーバーエッチングを行うことにより前記犠牲層に第１乃至第３の段差部分を形成する第４の工程と、
前記上部スイッチ電極層上と前記第１の上部駆動電極層上と前記第１乃至第３の段差部分上とに前記構造層を形成する第５の工程と、
前記犠牲層を除去する第６の工程と、を有し、
前記第５の工程において、前記第１の段差部分と重なる箇所に前記第１の部分が形成され、
前記第５の工程において、前記第２の段差部分と重なる箇所に前記第２の部分が形成され、
前記第５の工程において、前記第３の段差部分と重なる箇所に前記第３の部分が形成されることを特徴とする微小電気機械スイッチの作製方法。
基板上に下部スイッチ電極層を有し、
前記基板上に第１の下部駆動電極層を有し、
前記基板上に第２の下部駆動電極層を有し、
前記下部スイッチ電極層上と前記第１の下部駆動電極層上と前記第２の下部駆動電極層上とに空間部分を有し、
前記空間部分上に上部スイッチ電極層を有し、
前記空間部分上に第１の上部駆動電極層を有し、
前記空間部分上に第２の上部駆動電極層を有し、
前記空間部分上と前記上部スイッチ電極層上と前記第１の上部駆動電極層上と前記第２の上部駆動電極層上とに構造層を有し、
前記構造層は、第１乃至第４の部分を有し、
前記第１の部分の下部表面は、前記上部スイッチ電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第２の部分の下部表面は、前記上部スイッチ電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第３の部分の下部表面は、前記上部スイッチ電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第４の部分の下部表面は、前記上部スイッチ電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第１の部分の下部表面は、前記第１の上部駆動電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第２の部分の下部表面は、前記第１の上部駆動電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第３の部分の下部表面は、前記第１の上部駆動電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第４の部分の下部表面は、前記第１の上部駆動電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第１の部分の下部表面は、前記第２の上部駆動電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第２の部分の下部表面は、前記第２の上部駆動電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第３の部分の下部表面は、前記第２の上部駆動電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第４の部分の下部表面は、前記第２の上部駆動電極層の下部表面よりも出っ張っており、
前記第１の上部駆動電極層は、前記第１の部分と前記第２の部分との間に位置し、
前記上部スイッチ電極層は、前記第２の部分と前記第３の部分との間に位置し、
前記第２の上部駆動電極層は、前記第３の部分と前記第４の部分との間に位置し、
前記第１の部分は、前記第１の下部駆動電極層と重なる領域を有し、
前記第１の部分は、前記下部スイッチ電極層と重ならず、
前記第１の部分は、前記第２の下部駆動電極層と重ならず、
前記第２の部分は、前記第１の下部駆動電極層と重なる領域を有し、
前記第２の部分は、前記下部スイッチ電極層と重ならず、
前記第２の部分は、前記第２の下部駆動電極層と重ならず、
前記第３の部分は、前記第１の下部駆動電極層と重ならず、
前記第３の部分は、前記下部スイッチ電極層と重ならず、
前記第３の部分は、前記第２の下部駆動電極層と重なる領域を有し、
前記第４の部分は、前記第１の下部駆動電極層と重ならず、
前記第４の部分は、前記下部スイッチ電極層と重ならず、
前記第４の部分は、前記第２の下部駆動電極層と重なる領域を有し、
前記第１の上部駆動電極層は、前記第１の下部駆動電極層と重なる領域を有し、
前記第１の上部駆動電極層は、前記下部スイッチ電極層と重ならず、
前記第１の上部駆動電極層は、前記第２の下部駆動電極層と重ならず、
前記上部スイッチ電極層は、前記第１の下部駆動電極層と重ならず、
前記上部スイッチ電極層は、前記下部スイッチ電極層と重なる領域を有し、
前記上部スイッチ電極層は、前記第２の下部駆動電極層と重ならず、
前記第２の上部駆動電極層は、前記第１の下部駆動電極層と重ならず、
前記第２の上部駆動電極層は、前記下部スイッチ電極層と重ならず、
前記第２の上部駆動電極層は、前記第２の下部駆動電極層と重なる領域を有し、
前記下部スイッチ電極層の上部表面は、前記第１の下部駆動電極層の上部表面よりも出っ張っており、
前記下部スイッチ電極層の上部表面は、前記第２の下部駆動電極層の上部表面よりも出っ張っている微小電気機械スイッチの作製方法であって、
前記基板上に、前記下部スイッチ電極層と前記第１の下部駆動電極層と前記第２の下部駆動電極層とを形成する第１の工程と、
前記下部スイッチ電極層上と前記第１の下部駆動電極層上と前記第２の下部駆動電極層上とに犠牲層を形成する第２の工程と、
前記犠牲層上に、導電層を形成する第３の工程と、
前記導電層をエッチングして前記上部スイッチ電極層と前記第１の上部駆動電極層と前記第２の上部駆動電極層とを形成し、オーバーエッチングを行うことにより前記犠牲層に第１乃至第４の段差部分を形成する第４の工程と、
前記上部スイッチ電極層上と前記第１の上部駆動電極層上と前記第２の上部駆動電極層上と前記第１乃至第４の段差部分上とに前記構造層を形成する第５の工程と、
前記犠牲層を除去する第６の工程と、を有し、
前記第５の工程において、前記第１の段差部分と重なる箇所に前記第１の部分が形成され、
前記第５の工程において、前記第２の段差部分と重なる箇所に前記第２の部分が形成され、
前記第５の工程において、前記第３の段差部分と重なる箇所に前記第３の部分が形成され、
前記第５の工程において、前記第４の段差部分と重なる箇所に前記第４の部分が形成されることを特徴とする微小電気機械スイッチの作製方法。