静電駆動マイクロメカニカルスイッチングデバイス
【課題】低損失、高アイソレーション、低駆動電圧、スイッチ時間が短いマイクロメカニカルスイッチングデバイスを提供する。
【解決手段】固定電極２および可動電極３を含む駆動部と、前記可動電極３に機械的に接続されているプッシュロッド４と、前記プッシュロッド４の一方の側に機械的に接続されている可動接点要素と、前記プッシュロッド４に機械的に接続されている少なくとも１つの復元ばね５と、信号線７a、７bおよび接地線１３と、を備えるスイッチングデバイス１aであり、シャント構成において、前記接地線１３と前記信号線７a、７bとの間のオーミックコンタクトを閉成しかつ解放する接点ビーム６を備え、前記接地線１３が、前記接点ビーム６と前記接地線１３との間に前記オーミックコンタクトを形成するように、前記信号線７a、７bのギャップを通る少なくとも１つの接点バー１２を備える。
【解決手段】固定電極２および可動電極３を含む駆動部と、前記可動電極３に機械的に接続されているプッシュロッド４と、前記プッシュロッド４の一方の側に機械的に接続されている可動接点要素と、前記プッシュロッド４に機械的に接続されている少なくとも１つの復元ばね５と、信号線７a、７bおよび接地線１３と、を備えるスイッチングデバイス１aであり、シャント構成において、前記接地線１３と前記信号線７a、７bとの間のオーミックコンタクトを閉成しかつ解放する接点ビーム６を備え、前記接地線１３が、前記接点ビーム６と前記接地線１３との間に前記オーミックコンタクトを形成するように、前記信号線７a、７bのギャップを通る少なくとも１つの接点バー１２を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板のバルクに可動要素が形成され、基板の面における可動要素の水平移動により少なくとも１つのオーミックコンタクトを閉成しかつ解放する静電駆動マイクロメカニカルスイッチングデバイスであって、櫛型電極を有する駆動部であり、電極が固定駆動電極および可動電極を含む、駆動部と、可動電極に機械的に接続されかつ電極を通して延在している可動プッシュロッドと、プッシュロッドの一方の側に機械的に接続されている可動接点要素と、プッシュロッドに機械的に接続されている少なくとも１つの復元ばねと、信号線および接地線であり、信号線がギャップによって分断される２つの部分を含む、信号線および接地線とを備える、スイッチングデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気信号、すなわち高周波（ＲＦ）信号用のマイクロメカニカルスイッチは、いくつかの刊行物から既知である。基本概念を、機械的駆動に使用される力を生成する方法と、製造技術と、接点のタイプとに基づき、複数のカテゴリに分類することができる。一般に、スイッチの接点は、金属間接触によって具現化されるオーミック型であるか、または静電容量型であり得る。静電容量スイッチの場合、信号の流れは、伝送線と直列にまたは並列に接続されている静電容量コントラストによって制御される。
【０００３】
上述したように、本発明は、オーミックコンタクトを有する静電駆動デバイスに関する。関連する製造技術は、広く「バルク技術」として述べられている。バルク技術では、機械的領域の機能素子はウェハ材料の深部まで構造化され、一方、いわゆる表面技術では、機械要素を先に堆積された材料層内に転写する。
【０００４】
マイクロメカニカルスイッチに対する以下の主な要求は、あり得る応用から導出したものである。すなわち、５Ｖを下回る範囲での低駆動電圧、わずかな駆動電力消費、１０μ秒未満の短いスイッチ時間、直流域での完全なアイソレーション、ＲＦ域での−３０ｄＢを上回るアイソレーション、０．２Ω未満のオン抵抗、−０．５ｄＢを上回るオン状態での電力損失、駆動ポートから信号ポートまでのわずかなクロストーク、１０Ｖを上回る高い自己駆動電圧、１０億スイッチサイクルを上回る耐用年数、および統合スイッチの場合の極めて小さい外形または実装されたスイッチ素子の小さいフットプリントである。
【０００５】
いくつかの理由により、駆動力を最大限にすることが望ましい。大部分のＲＦ応用では、信号経路の高速スイッチングが要求される。メカニカルスイッチの機能素子のすべてが慣性質量を提供する。力と加速度との線形関係は、力が大きいほど反応が高速になることを意味する。オーミックコンタクトの信頼性が、接触力によって著しく影響を受けることも知られている。接触力が小さいと、接触抵抗が高くなり、電流の流れにより過度な加熱が発生する可能性がある。力が小さいことにより、接触面積も小さくなる。実際の接触は、小さい表面の凹凸でしか発生しない可能性があり、それにより、デバイスの初期故障が発生する可能性がある。
【０００６】
オーミックスイッチの場合、比較的高い駆動力の発生が中心的な役割を果たし、それは、機械的可動構造を十分高速に加速させ、十分な接触力を取得し、かつ閉成した接点を開成する時に付着力に打ち勝つために十分な駆動力により、短いスイッチ時間、低い接触抵抗および高い信頼性が達成されるためである、と結論づけることができる。低い駆動電圧は、高い駆動力に対して反するものであり、したがって問題である。
【０００７】
静電駆動は、極性の異なる電極間の力に依存する。２つの導電体間の電位差により、エネルギーを保存する電界がもたらされる。導電体の位置が変化することにより、電界に保存されるエネルギーの量、すなわち静電容量が影響を受ける場合、両導電体に誘引力が作用する。この力は、機械的に阻止されなければエネルギー勾配の空間方向への移動をもたらす向きを有している。この状況を以下の式によって記述することができる。
【数１】
ここで、Ｆは機械力であり、Ｕは駆動電位であり、ｘは機械的作動範囲（ｔｒａｖｅｌ）であり、Ｃは静電容量である。
【０００８】
式（１）によれば、駆動電位を増大させることにより、または静電容量勾配を増大させることにより、力を増大させることができる。電圧の上昇は、一般に、応用によって確定される制限を受ける。一般的な設計目標は、静電容量の勾配を最大限にすることである。単純な平行板コンデンサと１自由度とを想定すると、静電容量の勾配を以下のように記述することができる。
【数２】
ここで、ε０は真空の誘電率であり、εｒは誘電体材料の相対誘電率であり、Ａは電極の表面積であり、ｇ０は初期離隔距離である。εｒ≒１の気体または真空のみが好適な誘電体材料であるため、一般的な設計目標は、表面積を最大化し、電極の離隔距離を最小化することである。
【０００９】
電極面積を増大させる明白な方法は、より大きい電極を使用することである。少なくとも２つの事実により、この方法は実際的な解決法から排除される。機能素子の物理的な寸法を増大させることにより、通常、ウェハ上のデバイスのサイズが大きくなる。結果として、コストが増大し、製造歩留まりが低下する。製造問題に加えて、デバイスが大きくなることにより、集積化問題も発生する。
【００１０】
電極の横方向の寸法を増大させることなく面積を増大させる一般的な手法は、櫛型電極を使用するというものである。
【００１１】
櫛歯の静電容量を、以下の式によって計算することができる。
【数３】
ここで、ｌは櫛歯の長さであり、ｔｈは、ウェハの深さ方向の櫛歯の厚さであり、ｇ０ｃは櫛歯の離隔距離であり、ｎは櫛歯対の数である。横方向寸法が同じであるとすると、平行板コンデンサの静電容量を以下の式によって計算することができる。
【数４】
ここで、ｗは櫛歯の幅であり、ｇ０ｐは電極の離隔距離である。櫛型電極は、以下の条件を満たす場合、平行板コンデンサより大きい単位面積当たりの静電容量を提供する。
【数５】
【００１２】
（５）を配置し直しかつｔｈおよびｇ０ｃの比をＡＲアスペクト比に置き換えることにより、以下の関係を導出することができる。
【数６】
関係（６）は、櫛型電極の利点が直接、エッチングプロセスのあり得る最大アスペクト比によって決まることを述べている。関連するパラメータに対しｇ０ｐ＝１μｍ、ｗ＝１μｍ、ｇ０ｃ＝４μｍおよびｔｈ＝４０μｍ（ＡＲ＝１０）として技術的に実現可能な形状を想定すると、櫛型設計は、単位面積当たり８倍大きい静電容量を提供する。櫛型電極が、高い駆動静電容量を得ることに関して有利であるということを結論付けることができる。
【００１３】
しかしながら、静電駆動に関し、高静電容量は、中間結果としての役割を果たすのみである。式（１）によれば、力は静電容量の勾配に比例する。先の計算に対して使用した対称的な設計では、対象となる方向、すなわち櫛歯の向きに対して直交する方向にいかなる正味の力ももたらさない。対称性を破る明白な解決法は非対称レイアウトを使用することであり、すなわち、ｇ０ｃが櫛型の両側で異なる。ｇ０ｃは通常可能な限り技術的に小さいように選択されるため、ｇ０ｃが異なるということは、一般に一方の側のｇ０ｃが増大することを意味する。非対称な離隔距離をもたらすより的確な手法は、離隔距離が最小の対称的な櫛歯を製造し、後処理ステップにおいて可動構造を変位させるというものである。この原理を、以下ギャップ低減（ｇａｐ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）と呼ぶ。
【００１４】
櫛型設計によって得られる力と平行板コンデンサによって得られる力との比に対して分析的記述を導出することは、容易に可能であるが幾分冗長である。しかしながら、上述した数値例を参照すると、可動構造が２．１μｍ偏向すると駆動力は等しくなる。３μｍ偏向しかつそれとともに残っている電極の離隔距離が１μｍである（実際に安全な最小数であることが証明されている）と、櫛型設計の力は４倍大きくなる。ギャップ低減の技法により、高静電容量の利点を大きい機械力にうまく移すことができると結論付けることができる。
【００１５】
大きい力に加えて、ギャップ低減には、さらなる重要な利点がある。可動要素および固体要素をより近づけることにより、接点要素の残りの作動範囲およびそれとともにスイッチング時間が低減する。オーミックコンタクトスイッチには、確実なスイッチングに対してわずかな作動範囲があればよい。表面粗さ、可撓性および電気的ブレークスルーを考慮しても、最小作動範囲は通常、最小ｇ０ｃより一桁小さい。
【００１６】
ギャップ低減を実現する１つのあり得る解決法は、文書（特許文献１）に示されている。この文書は、その初期位置から偏向する可動構造について記載している。動きは、以下ストッパと呼ぶ接点要素によって停止される。可動要素までの離間距離は、最初に定義された最小離間距離より小さくなる必要があるため、ストッパの存在は矛盾して見える可能性がある。しかしながら、実際には、設計規則から局所的に逸脱することが可能である。「局所的に」という用語は、ストッパの位置における設計が、設計者により非常に注意深く調べられることを意味する。周囲の要素は、ストッパの要件に対して特に適合される必要がある。したがって、任意の位置でその小さい離間距離を制作することは不可能である。設計規則は残っている。
【００１７】
ギャップ低減機構の実際の適合性は、一度の駆動に必要な周辺部により、かつ低減したギャップの状態を永久的に維持する技法により定義される。追加の周辺部は、全体的な概念の利点を妨げないように、ウェハの面積のわずかな量しか消費しないものであるべきである。ラッチ機構は、永久的な駆動信号の印可に依存するべきではない。そうでなければ、これにより、連続的に電力が消費されるか、または供給の障害の後に未知の状態になる可能性がある。
【００１８】
横方向可動体の偏向状態を維持する技法は、文書（特許文献２）に記載されている。機械式ラッチングは、機械的構造間の形状適合（ｆｏｒｍ−ｆｉｔｔｉｎｇ）の結果である。この概念の不都合は、最小離隔距離による横方向間隔が事前に確定されるため明白となる。この場合、中間位置、すなわちｇ０ｃの分数おける機械式ラッチングは、実現が困難である。形状適合要素の大きいサイズおよび複雑な形状は、設計規則の局所的な偏差に適していない。
【００１９】
実際の実装（平行板電極または櫛型電極）とは無関係に、駆動機構は、接点要素に結合される必要がある。「接点要素」という用語は、スイッチング機能を実現するために物理的に接触させられる金属化構造を言う。アクチュエータと接点要素との間である種の弾性を実現する正当な理由がある。
【００２０】
文書（特許文献３）および（特許文献４）は、プログレッシブばねを実装するために可撓性接点を使用することを記載している。スイッチの開成状態では追加の弾性は停止状態である。最初、アクチュエータは、主ばね、すなわち接点を枠に接触させるばねを偏向させる力を提供するのみでよい。駆動電圧を低くすることができる。接触の瞬間、接点の弾性が作動を開始する。アクチュエータの作動は停止しない。駆動電極間の離隔距離は低減し続ける。したがって、力が増大する。機械的に直列に接続されているため、力は、接点に対しその極限まで作用する。
【００２１】
表面技術を使用するスイッチの大部分の実装は、駆動電極の物理的接触に依存する。間のアイソレーション層が電気的短絡を防止する。しかしながら、この層は、一般に帯電しやすい。アイソレーションの帯電により、スイッチは解放されない。この故障モードは通常スティッキングと呼ばれる。文書（特許文献３）および（特許文献４）に記載されている発明は、プログレッシブばねを、接触力の増大のためのみでなく、好ましくは解放力の増大のために使用する。追加の解放力は駆動電極にしか作用しないことを留意することが重要である。接点自体は、駆動電圧を低く維持するために通常小さい、主ばねの力のみによって解放される。
【００２２】
文書（特許文献５）は、上述したタイプのスイッチングデバイスについて記載している。この文書は、機械力の増大のための要素と、静電駆動部と接点ビームとの間のスイッチの高周波アイソレーションのためのアセンブリとを提供する概念を含んでいる。機械力の増大のための要素は、それぞれ、静電駆動部と接点ビームおよび／またはプログレッシブ効果を有する弾性要素との間のレバー機構かまたは、静電駆動部と接点ビームとの間の力の束に設けられたクラッチ機構のいずれかである。高周波アイソレーションは、レバー機構上のメタライゼーションの分断によって具現化される。
【００２３】
静電駆動ＭＥＭＳスイッチに対する多くの応用では、広い周波数範囲（たとえば１ＭＨｚ…１００ＧＨｚ）において低い挿入損失および高いアイソレーション（たとえば、それぞれ−０．５ｄＢおよび−３０ｄＢ）が必要である。低駆動電圧（たとえば５Ｖ）で低いスイッチ時間（たとえば１０μ秒未満）が達成されるべきであり、スイッチは、接点摩耗および接点スティッキングが信頼性を１０９スイッチサイクル未満まで制限しないように設計されなければならない。スイッチの接点要素が信号線に永久的に接続され、かつスイッチの接地電位との電気的接続としての役割を果たす、シャント構成でのＭＥＭＳスイッチは、基本的に、周波数範囲およびアイソレーション要件に適合するが、以下の問題が発生する。
【００２４】
低スイッチ時間および十分な信頼性は、比較的強い駆動力を必要とする。これは、低駆動電圧に対する要求と対照的である。あり得る解決法は、垂直駆動電極と比較して相対的に電極面積が広いために、水平駆動の櫛型駆動電極を適用するというものである。しかしながら、完全な周波数帯域が伝送されるべきであるため、電気的シャント接点とアクチュエータとの間の機械的結合は、信号線を分離させることなく達成されなければならず、かつラインインピーダンスの変動が可能な限り小さくあるべきである。
【００２５】
さらなるあり得る解決法は、信号線の可撓性部分であり、それは、シャント接点を支持することができかつアクチュエータに機械的に結合され、スイッチが駆動されるとその屈曲によりさらなる力を提供する。この力は、駆動力を抑制し、接触力を低減させ、その結果、必要な駆動電圧が高くなる。信号線の極めて幅が狭く長い可撓性部分が解決法になるが、この種の信号線のインピーダンスは、大部分の場合、供給線のインピーダンスから大きく逸れる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／０２１９１１３Ａ１号明細書
【特許文献２】独国特許第６０ ２００５ ００２ ２７７ Ｔ２号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００３／０００９８６１Ａ１号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００５／００９９２５２Ａ１号明細書
【特許文献５】国際公開ＷＯ２００８／１１０３８９Ａ１号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
したがって、本発明の目的は、低損失で、広い周波数範囲において高アイソレーションであり、低駆動電圧でスイッチ時間が短く、かつ十分な信頼性のある、シャント構成のマイクロメカニカルスイッチングデバイスを提供することであり、スイッチングデバイスは、信号線のラインインピーダンスおよびその変動が可能な限り小さいように設計される。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
その目的は、上述したタイプの静電駆動マイクロメカニカルスイッチングデバイスであって、シャント構成において、接地線と信号線との間のオーミックコンタクトを閉成しかつ解放し、接点要素が、信号線に対して少なくとも部分的に反対方向に延在しかつ信号線の両部分それぞれに電気的かつ機械的に接続されている可動接点ビームを備え、接地線が、接点ビームと接地線との間にオーミックコンタクトを形成するように、信号線のギャップを通る少なくとも１つの接点バーを備え、接点ビーム、信号線および接地線の少なくとも上壁および側壁にコンタクトメタライゼーションが設けられる、スイッチングデバイスによって解決される。
【００２９】
本発明によれば、接点ビームを備えたシャント構成のスイッチングデバイスであって、接点ビームは、その両端において、必ずしもではないが概して同一平面状のストリップ信号線である信号線に、機械的にかつ電気的に接続され、かつ電極によって駆動されている可動プッシュロッドにさらに接続される、スイッチングデバイスが提供される。接点ビームは、駆動力によって屈曲する。接点ビームの寸法は、それが高弾性を提供し、したがって駆動を抑制する力が弱いように選択される。しかしながら、接点ビームは、追加の復元力を提供する。この力を使用して、接点のスティッキングを防止することができる。しかしながら、復元力が高すぎると、最小駆動電圧が高くなり、それは望ましくない。したがって、本発明によれば、図面を参照して後述するように、幾分長くかつ細い接点ビームを使用する必要がある。こうした細いビームはインダクタンスが高い。
【００３０】
低周波数およびＤＣでは、接点ビームのインダクタンスは重要ではない。それは、高いＧＨｚ周波数において重要である。したがって、本発明は、信号線のかなりの部分が、高周波数に対して追加の容量結合を形成するために、接点部分に対して平行に配置される、スイッチングデバイスを提案する。したがって、長い接点ビームの誘導的影響を低減する追加の電流路が形成される。したがって、ラインインピーダンスの不整合の問題なしに、低剛性に対する要求を満足させることができる。
【００３１】
高周波域におけるオーミックスイッチのアイソレーションは、入力ポートから出力ポートまでの容量クロストークによって制限される。したがって、本発明では、信号線内に、２つの接点セットが直列に付与され、それらはともに、オフ状態で開成されオン状態で閉成される。接点は、弾性接点ビームの両側に配置される。
【００３２】
可動接点ビームの抵抗は、スイッチのオン抵抗およびオン状態における電力損失の要因になる。したがって、接点ビームにおける両接点間の電気的接続または接点ビームの抵抗は、信号線に対して直列であり、スイッチングデバイスの性能を制限する。したがって、本発明は、接点ビーム、接地線および信号線の上壁および側壁の上に金属を堆積させることを提案し、それにより、この抵抗が著しく低下する。そのコンタクトメタライゼーションを、たとえば接点ビームの構造化の後の金属スパッタリングによって具現化することができる。この場合、メタライゼーション領域を画定するためにシャドウマスクを付与しなければならない。別法として、スイッチングデバイスの可動部分の構造化の前に、電気メッキにより相対的に厚い金属層を付与することができる。それを、可動接点および固定接点に対する接点材料として同様に使用してもよい。しかしながら、その別の解決法では、シリコンエッチングプロセス中にこの層の保護が必要であり、後続するプロセス中に接触面の汚染があり得る。
【００３３】
高駆動力および低スイッチ時間を達成するために、非起動状態における可動接点先端部および固定接点先端部の離隔距離と、可動駆動電極および固定駆動電極の離隔距離とがともに、可能な限り小さくなければならない。製造技術制約により、電極間および接点先端部間の間隔の最小寸法が限られる。したがって、本発明の好ましい実施形態によれば、より小さい離隔距離を達成するために、製造シーケンスの最後に起動されるギャップ低減機構が付与される。ギャップ低減機構は、可動枠を備え、それは、各復元ばねの固定端に設けられ、かつ少なくとも部分的に１つの固定付着パッドを包囲し、可動枠は、少なくとも１つの追加の誘引電極に対向し、かつ追加の誘引電極に起動電圧が印可されると付着パッドに向かって移動するように、弾性的に懸架され、可動枠は、可動枠と復元ばねとの間の接続の側において付着パッドにおいて停止し、付着パッドおよび可動枠は、微細溶接によってその配置で永久的に接合される。すべての可動枠によりギャップ低減処置を行った後、駆動電極の離隔距離および接点の離隔距離は永久的に低減する。付着パッドが、可動枠と復元ばねとの間の接続の側において可動枠と接触するように設けられているため、復元力に対する製造公差の影響を低減することができる。
【００３４】
その構成の特定の実施形態では、付着パッドは、その上面に、スイッチングデバイスの基板材料のドーピングより高濃度ドーピングを有している。これを用いて、微細溶接の流れをより小さい体積に局所化し、それにより必要なエネルギーおよび電圧をそれぞれ低減することができる。
【００３５】
その構成の変形では、機械的安定性を向上させかつ製造公差の影響を低減するために、可動枠は２つの部分に分割される。
【００３６】
さらに、可動枠のギャップ低減電極に面している面が、他の面に比較して著しく広いため、機械的剛性を向上させることができ、静電力による望ましくない屈曲および引込みを防止することができる。付着パッドと接触する枠の面は、製造公差により付着パッドの可動枠の対応する面に対する離隔距離が異なることになる場合であっても、両付着パッドに密に接触するための弾性を提供するように具現化される。
【００３７】
小さい漏れ電流のために、処理中または陽極接合のような静電気補助ウェハレベルパッケージ手順の間の放電が、スイッチングデバイスの電極または接点に損傷を与える可能性がある。したがって、本発明のさらなる実施形態では、アンダーエッチングにより基板から解放されている金属ブリッジが、スイッチングデバイスの製造および／または処理中に、固定電極および可動電極に電気的に接続されている電気線の間に設けられる。さらなる実施形態によれば、アンダーカットを有する金属ブリッジが、スイッチングデバイスの製造および／または処理中に、信号線および接地線に電気的に接続されている電気線の間に設けられる。金属ブリッジは、製造および処理中の駆動電極間または接点間の電位を阻止する。したがって、上述したようにスイッチングデバイスの製造および処理中の放電および破損を、除去できないにしても大幅に低減することができる。金属ブリッジが、基板のトレンチによってアンダーカットされているため、金属ブリッジの熱伝導性および熱時定数を低減することができる。
【００３８】
別法では、固定電極および可動電極、ならびに信号線および接地線のそれぞれに接続されている電気線は、スイッチングデバイスの処理および／またはウェハレベルパッケージング中に、スイッチングデバイスのアイソレーション層の接点窓および後続するメタライゼーションによって、基板材料に電気的に接続され、それにより放電および損傷が低減する。
【００３９】
その構成において、アンダーエッチングによって基板から解放されている少なくとも１つの金属ブリッジが、接点窓への接続経路内に挿入されている場合、金属ブリッジを、スイッチングデバイスの製造および処理プロセスの最後に、指定された接点によって提供されなければならない電流によって焼き切ることができる。
【００４０】
接点窓が、基板の上面の局所ドーピング領域によって形成され、局所ドーピング領域が金属によって接続され、金属がドーピング領域の上に開口部を有する場合、特に有利である。局所ドーピング領域は、接点窓の真下の基板材料の接触抵抗を低下させる。開口部を小さくすることができ、それは、製造手順の最後において、固定電極と可動電極との間、かつ信号線と接地線との間の電気接続を分断するように、接点窓を別の配置として完全にアンダーエッチングするために、さらなるエッチングステップに使用される。
【００４１】
駆動端子と櫛型電極との間の抵抗と駆動電極の静電容量とはともに、電気系の時定数とスイッチ時間の増大とをもたらす。この問題を克服するために、スイッチングデバイスの電極はシリコンから構成され、シリコン材料は駆動部の領域に局所ドーピングされる。これにより、電気系の抵抗は低下し時定数は低減する。
【００４２】
復元ばねは、非作動状態に切り換わる時、接点の離隔距離に対しかつ接点の付着力を克服するために十分大きい力を提供する。復元ばねの力は、アクチュエータの力を抑制し、それにより、駆動状態における接触力を低減する。したがって、低剛性の復元ばねを使用することが望ましい。付着力による接点スティッキングの危険をもたらすことなく低剛性のばねを使用することができるために、本発明の実施形態では、プッシュロッドと接点ビームの接点先端部との間に弾性ビーム要素が設けられ、プッシュロッドおよび可動電極の質量は、接点ビームおよび接点先端部の質量の３倍超である。弾性接点ビームは、駆動状態でアクチュエータの力によって圧縮される。非駆動状態に切り換わる時、電極およびプッシュロッドは、復元ばねおよび圧縮された弾性接点ビームの力の下で加速する。最初は、接点は閉成したままである。接点のスティッキングを想定すると、電極およびプッシュロッドの推進力（ｍｏｍｅｎｔｕｍ）によって、分離力が一時的に増幅される。
【００４３】
本発明は、シャント構成のスイッチングデバイスを含むため、コンタクトメタライゼーションにより、信号線と接地線との間の容量結合が強固になる。したがって、本発明の別の実施形態では、信号線および／または接地線は、コンタクトメタライゼーションの位置でストリップの２つの側に分割され、ストリップは、基板から深さの隔たりがある。この構成により、結合容量がはるかに小さくなる。信号線または接地線は、コンタクト金属堆積の位置でストリップに分割される。ストリップは、アンダーエッチングが容易に可能であるように幅が狭い。基板からの離隔は、ストリップ間の電気的接続を回避するために必要である。ＲＦ電極に対し、各側のストリップの１つを除くすべてが電気的に絶縁されていない。最外ストリップのみが電気的に接続される。ストリップに分割することにより、それぞれ、結合面積が小さくなり、静電容量が低くなる。絶縁されたストリップにより、ＲＦ信号線とストリップとの間の結合容量とＲＦ接地とストリップとの間の静電容量との直列接続がもたらされる。静電容量の直列接続により、静電容量が元のものより小さくなる。
【００４４】
ＷＬＰによるデバイスのハーメチックシールにより、通常、基板またはカバーに垂直ビアを有することが必要となり、それにより外形の小型化が制限される。これを克服するために、本発明の特定の例では、スイッチングデバイスの電気端子への線が、スイッチングデバイスの封止領域内の平坦な溝に配置され、基板に対するアイソレーション層およびラインを覆うさらなるアイソレーション層によって隔離され、さらなるアイソレーション層は、基板の表面が線の領域において平坦であるように部分的に除去される。これにより、埋め込まれた金属線が形成される。したがって、非常に平坦な面を必要とする陽極接合によるウェハレベルパッケージングが可能となる。
【００４５】
本発明の別の実施形態では、接地線は、プッシュロッドの方向に延在するスロットによって分断される。
【００４６】
本発明の別の好ましい実施形態では、スイッチングデバイスの信号線は、２つの位置においてそれぞれギャップによって分断され、２つの接点要素があり、それらは各々、信号線に対して少なくとも部分的に反対方向に延在し、かつ信号線の両部分に電気的にかつ機械的に接続される可動ビームを備え、またプッシュロッドに機械的に接続され、したがって可動電極によって同時に駆動され、接地線は、接点ビームと接地線との間にオーミックコンタクトを形成するように、信号線の各ギャップの位置に少なくとも１つの接点バーを備える。したがって、本発明のスイッチングデバイスを、二重接点シャント構成で使用することができる。
【００４７】
添付図面は、本発明の実施形態がさらに理解されるように含められており、本明細書に組み込まれかつその一部を構成している。図面は、本発明の実施形態を例示し、説明とともに、本発明の原理を説明する役割を果たす。他の実施形態および意図された利点の多くは、以下の詳細な説明を参照してよりよく理解されることになるため、容易に認識されるであろう。図面の要素は、必ずしも互いに対して同じ比例尺で描かれていない。図示するスイッチングデバイスの等しいかまたは同様の要素又は詳細は、同じかまたは同様の参照数字によって識別されている。繰返しを避けるために、特定の図を参照して行うこれら要素または詳細の説明は、絶対的に排除されない場合、他の図にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施形態による、シャント構成の静電駆動マイクロメカニカルスイッチングデバイスの基本構造の平面図を概略的に示す。
【図２】図示されているコンタクトメタライゼーション領域を含む、本発明の実施形態によるスイッチングデバイスの平面図および断面図を概略的に示す。
【図３】起動前のギャップ低減のための機構を備えた、本発明のさらなる実施形態によるスイッチングデバイスの平面図を概略的に示す。
【図４】ギャップ低減のための機構の起動後の図３のスイッチングデバイスを概略的に示す。
【図５】同様に断面図に示す金属ヒューズを備えた、本発明の別の実施形態によるスイッチングデバイスの平面図を概略的に示す。
【図６】同様に断面図に示す金属ヒューズと高抵抗電流路とを備えた、本発明のさらに別の実施形態によるスイッチングデバイスの平面図を概略的に示す。
【図７】局所ドーピングシリコンを備えた、本発明のさらなる実施形態によるスイッチングデバイスの平面図および断面図を概略的に示す。
【図８】弾性ビームを備えた、非駆動状態での本発明の次の実施形態によるスイッチングデバイスの平面図を概略的に示す。
【図９】駆動状態の図８のスイッチングデバイスを概略的に示す。
【図１０】スイッチングデバイスのオン状態とオフ状態との間の切換え中の図８および図９のスイッチングデバイスを概略的に示す。
【図１１】推進力による力の増幅を示す、図８〜図１０のスイッチングデバイスを概略的に示す。
【図１２】接点ビームの接点先端部の上ならびに信号線および接地線の一部の上の図示されているコンタクトメタライゼーション領域を含む、本発明の実施形態によるスイッチングデバイスの平面図を概略的に示す。
【図１３】ストリップ状信号線およびコンタクトメタライゼーションを備えた、本発明の別の実施形態によるスイッチングデバイスの平面図を概略的に示す。
【図１４】電気端子が平坦な溝に配置されかつアイソレーション層によって隔離されている、本発明の次の実施形態によるスイッチングデバイスの平面図を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
図１は、本発明の実施形態によるシャント構成の静電駆動マイクロメカニカルスイッチングデバイス１の基本構造の平面図を概略的に示す。図１では、シャント接点は閉成している。
【００５０】
スイッチングデバイス１は、結晶シリコン基板のバルク材料に形成されている。スイッチングデバイス１の可動部分はすべて、結晶シリコンおよび金属からなる。本発明の他の図示しない実施形態では、スイッチングデバイス１を、別のマイクロメカニカルに処理可能な材料で形成することも可能である。
【００５１】
図示する平面図では、スイッチングデバイス１は、実質的に対称的に形成されている。スイッチングデバイス１は、櫛型電極２、３を有する駆動部を備えている。櫛型電極は、基板に直接機械的に接続されている固定電極２と、基板材料から分離されている可動電極３とを含む。可動電極３を、基板の平面において水平に移動させることができる。簡略化するために、図１では、固定電極２および可動電極３の２つの対のみを示しているが、実際には、駆動部は、通常、それぞれ互いに対向する複数の固定電極２および可動電極３から構成される。技術制約によって与えられる最小電極離隔距離および応用に関連する駆動電圧は、ともに、静電駆動力およびスイッチ時間とともに、結果としてスイッチングデバイス１の接触信頼性を制限する。
【００５２】
可動電極３は、電極２、３の中心を通って延在する可動プッシュロッド４の両側から延在している。プッシュロッド４は、少なくとも１つの復元ばね５上に懸架され、復元ばね５は、一方の側が基板に機械的に接続されている。図１の例では、プッシュロッド４の端部に２つの復元ばね５が設けられており、プッシュロッド４の中間部分にさらなる復元ばね５が設けられている。本発明の他の図示しない実施形態では、プッシュロッド４に対する復元ばねの数および位置を、図１の構成と比較して変更することができる。
【００５３】
プッシュロッド４の非懸架端には、可動または可撓性接点ビーム６が設けられている。接点ビーム６は、プッシュロッド４に対して横方向に、かつスイッチングデバイス１の信号線７に対して少なくとも部分的に反対方向にまたは平行に延在している。接点ビーム６は、図１の参照数字１１ａによって概略的に示す、特定のインダクタンスおよび抵抗を有している。接点ビーム６の寸法は、高弾性を提供するように選択されている。したがって、接点ビーム６は比較的長くかつ細い。接点ビーム６は、その両端に、それぞれ２つの接点ピン８を備えており、そこで、接点ビーム６は信号線７と電気的にかつ機械的に接続されている。高周波域でのオーミックスイッチのアイソレーションは、入力ポートから出力ポートまでの容量性クロストークによって制限される。
【００５４】
上述したように、接点ビーム６は信号線７に対して少なくとも部分的に反対方向に延在するため、信号線７と接点ビーム６との間に、図１に概略的に示す結合容量９がある。
【００５５】
スイッチングデバイス１の動作時、接点ビーム６は、電極２、３、プッシュロッド４および復元ばね５の協働によって接点ビーム６に付与される駆動力によって屈曲する。接点ビーム６は、高弾性であるため、駆動を妨げる力はごくわずかである。
【００５６】
信号線７は、ギャップ１０によって２つの部分７ａ、７ｂに分割されており、接点ビーム６の各接点ピン８は、これら部分７ａ、７ｂのうちの一方に接続されている。信号線７は、通常ＲＦ電極であり、特定のインダクタンスおよび抵抗１１ｂを有している。
【００５７】
図１の例では、スイッチングデバイス１の接地線１３は、プッシュロッド４の方向に延在するスロット１３ａによって、２つの接続された部分に分断されている。接地線１３の接点バー１２は、ギャップ１０を通って延在し、図示する駆動状態では接点ビーム６と接触し、スイッチングデバイス１の非駆動状態では接点ビーム６と接触しない。復元ばね５は、駆動部の駆動力を抑制し、スイッチングデバイス１の非駆動状態では、接点ビーム６を接地線１３の接点バー１２から分離する。図１に示す例では、接地線１３はＶ字形に形成されており、その「Ｖ」の軸の間にスロット１３ａを備えている。本発明の他の図示しない実施形態では、信号線７および接地線１３を、図１に示すものとは別の方法で形成することができる。しかしながら、すべての場合において、信号線７および接地線１３は、接点ビーム６のスイッチングデバイス１の駆動機構とは反対側に設けられる。
【００５８】
たとえば図２に示すように、接点ビーム６と信号線７および接地線１３の一部の上壁および側壁は、コンタクトメタライゼーション１４によって覆われている。
【００５９】
図１の下方部分において実線Ｌおよび破線Ｈによって概略的に示すように、スイッチングデバイス１の動作中、低周波数電流路Ｌおよび高周波数電流路Ｈがある。低周波数電流路Ｌは、信号線７ｂから信号線７ｂの最も広い延長部を通り、接点ピン８を通り、接点ビーム６を通り、接点バー１２を通って、接地線１３まで長距離を流れる。高周波数電流路Ｈは、信号線７ｂから、接点ビーム６のわずかな部分を通り、接点バー１２を通って接地線１３まで短距離を流れる。
【００６０】
図２の上方部分はまた、コンタクトメタライゼーション１４の図示する領域とともに、本発明の実施形態によるスイッチングデバイス１ａの平面図を概略的に示す。図２の下方部分は、図２の上方部分の交線Ａ−Ａに沿った断面図を示す。図示するように、コンタクトメタライゼーション１４の領域では、基板１５材料からなる接点ビーム６がメタライゼーション１４で覆われており、一方で、金属層１６によって覆われている、基板１５の他の領域にある信号線７および接地線１３の一部の上壁および側壁が、コンタクトメタライゼーション１４によってさらに覆われている。
【００６１】
コンタクトメタライゼーション１４により、この領域における接点ビーム６、信号線７および接地線１３の抵抗が大幅に低下する。上述したように、コンタクトメタライゼーション１４は、構造の側壁も覆う。これは、横方向の移動によって接点ビーム６と接地線１３と間にオーミックコンタクトを得るために必要である。コンタクトメタライゼーション１４を、たとえば、接点ビーム６の構造化の後の金属スパッタリングによって形成することができる。コンタクトメタライゼーション１４の領域を画定するために、シャドウマスクを付与しなければならない。別法として、電気メッキすることにより、可動部分の構造化の前に比較的厚い金属層を付与することができる。それを、可動接点および固定接点に対して同様に接点材料として使用してもよい。このプロセスの場合、シリコンエッチングプロセス中にその金属層を保護する必要があり、そこでは、後続するプロセスの間に接触面の汚染があり得る。
【００６２】
図３は、本発明のさらなる実施形態によるさらなるスイッチングデバイス１ｂの平面図を概略的に示し、そこでは、スイッチングデバイス１ｂは、図１のスイッチングデバイス１および図２のスイッチングデバイス１ａのように等しいかまたは同様の要素および詳細を備えており、スイッチングデバイス１ｂは、ギャップ低減のための機構をさらに備えており、そこではその機構の駆動前を示す。図４は、ギャップ低減のための機構の駆動後の図３のスイッチングデバイスを概略的に示す。
【００６３】
図３に示す状態では、接点ビーム６は、信号線７の部分７ａ、７ｂに機械的にかつ電気的に接続されていない。代りに、後述するギャップ低減の前に接点離隔距離１７がある。
【００６４】
図４に示すように、接点ビーム６と信号線７との間の接触をもたらすギャップ低減を具現化するために、各復元ばね５の固定端２１にそれぞれ、可動枠１８、追加の誘引電極１９および付着パッド２０が挿入されている。可動枠１８は、少なくとも部分的に、少なくとも１つの付着パッド２０を包囲し、追加の電極１９のうちの少なくとも１つに対向している。可動枠１８は、さらなる弾性ビームおよびアンカーにより弾性的に懸架されており、それにより、電気的に接続するためにプローブパッドを使用して追加の電極１９に駆動電圧が印可されると、可動枠１８は付着パッド２０に向かって移動する。したがって、接点ビーム６、プッシュロッド４および可動駆動電極３を含むスイッチングデバイス１ｂの可動部分も同様に移動し、図４に示すように、非駆動状態において、一方の側で固定電極２に対する可動電極３の離隔距離が低減し、かつ接点離隔距離１７が低減する。同様に図４に示すように、可動枠１８は、少なくとも１つの付着パッド２０において停止する２２。そして、付着パッド２０および可動枠１８は、付着パッド２０および可動枠１８に電流を印可する微細溶接手順によって永久的に接合される。付着パッド２０をそれらの上面に高濃度ドーピングすることにより、微細溶接の流れをより小さい体積まで局所化し、それにより、必要なエネルギーおよび電圧をそれぞれ低減することができる。
【００６５】
特定の図示しない実施形態では、機械的安定性を向上させかつ製造公差の影響を低減するために、可動枠１８を２つの部分に分割することも可能である。さらに、機械的剛性を向上させかつ静電力による望ましくない屈曲および引込みを防止するために、可動枠１８の追加の電極１９に向いている面は、他の面に比較して大幅に広い。可動枠１８の付着パッド２０と接触する面は、製造公差により付着パッド２０の可動枠１８の対応する面に対する隔離距離が異なる場合であっても、付着パッド２０に密に接触するための弾性を提供するように具現化される。
【００６６】
図３および図４に示す実施形態では、付着パッド２０は、可動枠１８の対応する面の、可動枠１８と復元ばね５との間の接続部分に近くに接触するように配置されている。それにより、復元力５に対する製造公差の影響が低減する。
【００６７】
図４に示すように、すべての可動枠１８による上述したギャップ低減手順を行った後、駆動電極の離隔距離および接点離隔距離１８は永久的に低減する。
【００６８】
図５は、本発明の別の実施形態によるスイッチングデバイス１ｃの平面図を概略的に示し、そこでは、スイッチングデバイス１ｃは、断面図で示す金属ブリッジ２３、２４の形態の金属ヒューズも有している。
【００６９】
駆動電極２、３および接点（信号線７および接地線１３）を電気的に接続する金属ブリッジ２３、２４により、製造および処理中の駆動電極間または接点間の電位が阻止される。図５において金属ブリッジ２３、２４の断面図に示すように、金属ブリッジ２３、２４は、基板１５上に形成されたアイソレーション２５上の自立ブリッジとして形成されており、金属ブリッジ２３、２４の熱伝導性および熱時定数を低減するために、基板１５においてトレンチ２６によりアンダーカットされている。スイッチングデバイス１ｃの試験における初期ステップでは、これら金属ブリッジ２３、２４に対し、それらを焼き切りかつ電極２、３と信号線７および接地線１３とを互いに切断するために適切な電流によって負荷をかける。
【００７０】
図６は、金属ヒューズおよび高抵抗電流路を備えた、本発明のさらなる別の実施形態によるスイッチングデバイス１ｄの平面図を概略的に示す。
【００７１】
この実施形態では、信号線７および接地線１３は、アイソレーション層２５の窓２７を接続することによって基板１５に接続される。基板１５材料の局所ドーピングにより、接点窓２７の真下にドーピングシリコン１５ａの層がもたらされ、接触抵抗が低下する。これら接点窓２７の接続部分に、アンダーカット２９を有する金属ブリッジ２８が挿入される。ＲＦ信号の損失をもたらす可能性のあるこの電気的接続を除去するために、基板１５への接続を、製造手順の最後にさらなるエッチングステップによって除去することができる。このエッチングステップ中、接点窓２７の真下のシリコンは除去され、それにより、金属と基板１５との間の接続も除去される。追加のコンタクトパッドがＲＦ性能を劣化させない領域では、基板１５への電気的接続を、金属ブリッジ２８の焼切りによりさらに除去することができる。金属ブリッジ２８を、指定されたコンタクトパッド３０によって供給されなければならない電流によって焼き切ることができる。図６の例では、接点窓２７の金属は中間に小さい開口部３１を有しており、それは、接点窓２７をアンダーエッチングするために製造手順の最後にさらなるエッチングステップで使用される。
【００７２】
図７は、局所ドーピングシリコンを備えた、本発明のさらなる実施形態によるスイッチングデバイス１ｅの平面図および断面図を概略的に示す。スイッチングデバイス１ｅでは、基板１５はシリコン製であり、シリコン材料の表面は、駆動電極２、３の領域において局所ドーピングされている。これにより、電気系の抵抗が低減しかつ時定数が低減する。
【００７３】
図８は、弾性ビームを備えた、非駆動状態における本発明の次の実施形態によるスイッチングデバイス１ｆの平面図を概略的に示す。
【００７４】
復元ばね５は、非作動状態に切り換わる時、接点離隔距離に対しかつ接点の付着力に打ち勝つために十分に大きい力を提供する。復元ばね５の力は、アクチュエータの力を抑制し、それにより、駆動状態において接触力を低減する。したがって、低剛性の復元ばね５を使用することが望ましい。付着力による接点スティッキングの危険をもたらすことなく、低剛性の復元ばね５を使用することができるように、図８の実施形態では、プッシュロッド４と接点ビーム６との間に弾性ビーム要素３２が挿入され、プッシュロッド４および可動櫛型電極２、３は、接点先端部８を有する接点ビーム８に比較して大幅に質量が大きくなるように設計されている。
【００７５】
図９に示すように、弾性ビーム要素３２は、駆動状態においてアクチュエータの力によって圧縮される。図１０に示すように、非駆動状態に切り換わる時、電極２、３およびプッシュロッド４は、復元ばね５および圧縮された弾性ビーム要素３２の力の下で加速する。最初、接点ビーム６と信号線７の部分７ａ、７ｂとの間の接点は閉成したままである。接点のスティッキングを想定すると、付着している場合であっても接点バー１２を接点ビーム６から分離するために、図１１に示すように電極２およびプッシュロッド４の推進力により、分離力が一時的に増幅される。
【００７６】
図１２は、接点ビーム６の接点先端部８の上および信号線７および接地線１３の一部の上の図示するコンタクトメタライゼーション４を備えた、本発明の実施形態によるスイッチングデバイス１の平面図を概略的に示す。信号線７の金属化面と接地線１３の金属化面との間に非常にわずかな離隔距離３３がある。したがって、コンタクトメタライゼーション１４により、ＲＦ信号線７とＲＦ接地線１３との間の容量結合が強固になる。図１２に示すように、コンタクト金属は、表面を覆うのみではなく、同様に構造の側壁をある深さまで覆う。深さが５０μｍ、離隔距離が３μｍかつ長さが８０μｍとすると、メタライゼーションにより１２ｆＦの静電容量がもたらされる。この静電容量により、結合リアクタンスが−２２０ｊΩになり、それは、整合の結果をもたらすには低すぎる。
【００７７】
図１３は、はるかに低い結合容量をもたらす構成を示す。信号線７または接地線１３は、コンタクトメタライゼーション１４の位置においてストリップ３４に分割されている。ストリップ３４は、アンダーエッチングが容易に可能であるように幅が狭い。基板１５からの離隔は、ストリップ３４間の電気的接続を回避するために必要である。ＲＦ電極７、１３に対し、各側のストリップ３４の１つを除くすべてが電気的に絶縁されていない。最外ストリップのみが電気的に接続されている。ストリップ３４に分割することにより、それぞれ、結合面積がより小さくなり静電容量がより低くなる。絶縁されたストリップ３４により、ＲＦ信号線７とストリップ３４との間の結合容量とＲＦ接地線１３とストリップ３４との間の静電容量との直列接続がもたらされる。静電容量の直列接続により、静電容量が元のものより小さくなる。
【００７８】
ウェハレベルパッケージング（ＷＬＰ）による上述したスイッチングデバイスのハーメチックシールにより、通常、基板１５にまたはカバー１０１に垂直ビアを有することが必要となり、それにより外形の小型化が制限される。これを克服するために、図１４に示す本発明の別の実施形態では、電気端子への金属線が、スイッチングデバイスの封止領域内の平坦な溝１５ｂに配置され、垂直ビアの代りに横方向供給トラフのために基板１５に対するアイソレーション層１０２によって分離される。さらなるアイソレーション層１０３が金属線を覆い、それは、表面がこの領域で平坦であるように部分的に除去され、埋め込まれた金属線が形成される。したがって、非常に平坦な面を必要とする陽極接合によるウェハレベルパッケージングが可能となる。
【符号の説明】
【００７９】
１ スイッチングデバイス
１ａ〜１ｆ スイッチングデバイス
２ 固定電極
３ 可動電極
４ プッシュロッド
５ 復元ばね
６ 接点ビーム
７ 信号線
７ａ 信号線
７ｂ 信号線
８ 接点ピン
９ 結合容量
１０ ギャップ
１１ａ インダクタンスおよび抵抗
１１ｂ インダクタンスおよび抵抗
１２ 接点バー
１３ 接地線
１３ａ スロット
１４ コンタクトメタライゼーション
１５ 基板
１５ａ ドーピングシリコン
１５ｂ 平坦な溝
１６ 金属層
１７ 接点離隔距離
１８ 可動枠
１９ 誘引電極
２０ 付着パッド
２１ 固定端
２２ 停止
２３ 金属ブリッジ
２４ 金属ブリッジ
２５ アイソレーション
２６ トレンチ
２７ 接点窓
２８ 金属ブリッジ
２９ アンダーカット
３０ コンタクトパッド
３１ 開口部
３２ 弾性ビーム要素
３３ 離隔距離
３４ ストリップ
１０１ カバー
１０２ アイソレーション層
１０３ アイソレーション層
Ｌ 低周波数電流路
Ｈ 高周波数電流路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板のバルクに可動要素が形成され、基板の面における可動要素の水平移動により少なくとも１つのオーミックコンタクトを閉成しかつ解放する静電駆動マイクロメカニカルスイッチングデバイスであって、櫛型電極を有する駆動部であり、電極が固定駆動電極および可動電極を含む、駆動部と、可動電極に機械的に接続されかつ電極を通して延在している可動プッシュロッドと、プッシュロッドの一方の側に機械的に接続されている可動接点要素と、プッシュロッドに機械的に接続されている少なくとも１つの復元ばねと、信号線および接地線であり、信号線がギャップによって分断される２つの部分を含む、信号線および接地線とを備える、スイッチングデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気信号、すなわち高周波（ＲＦ）信号用のマイクロメカニカルスイッチは、いくつかの刊行物から既知である。基本概念を、機械的駆動に使用される力を生成する方法と、製造技術と、接点のタイプとに基づき、複数のカテゴリに分類することができる。一般に、スイッチの接点は、金属間接触によって具現化されるオーミック型であるか、または静電容量型であり得る。静電容量スイッチの場合、信号の流れは、伝送線と直列にまたは並列に接続されている静電容量コントラストによって制御される。
【０００３】
上述したように、本発明は、オーミックコンタクトを有する静電駆動デバイスに関する。関連する製造技術は、広く「バルク技術」として述べられている。バルク技術では、機械的領域の機能素子はウェハ材料の深部まで構造化され、一方、いわゆる表面技術では、機械要素を先に堆積された材料層内に転写する。
【０００４】
マイクロメカニカルスイッチに対する以下の主な要求は、あり得る応用から導出したものである。すなわち、５Ｖを下回る範囲での低駆動電圧、わずかな駆動電力消費、１０μ秒未満の短いスイッチ時間、直流域での完全なアイソレーション、ＲＦ域での−３０ｄＢを上回るアイソレーション、０．２Ω未満のオン抵抗、−０．５ｄＢを上回るオン状態での電力損失、駆動ポートから信号ポートまでのわずかなクロストーク、１０Ｖを上回る高い自己駆動電圧、１０億スイッチサイクルを上回る耐用年数、および統合スイッチの場合の極めて小さい外形または実装されたスイッチ素子の小さいフットプリントである。
【０００５】
いくつかの理由により、駆動力を最大限にすることが望ましい。大部分のＲＦ応用では、信号経路の高速スイッチングが要求される。メカニカルスイッチの機能素子のすべてが慣性質量を提供する。力と加速度との線形関係は、力が大きいほど反応が高速になることを意味する。オーミックコンタクトの信頼性が、接触力によって著しく影響を受けることも知られている。接触力が小さいと、接触抵抗が高くなり、電流の流れにより過度な加熱が発生する可能性がある。力が小さいことにより、接触面積も小さくなる。実際の接触は、小さい表面の凹凸でしか発生しない可能性があり、それにより、デバイスの初期故障が発生する可能性がある。
【０００６】
オーミックスイッチの場合、比較的高い駆動力の発生が中心的な役割を果たし、それは、機械的可動構造を十分高速に加速させ、十分な接触力を取得し、かつ閉成した接点を開成する時に付着力に打ち勝つために十分な駆動力により、短いスイッチ時間、低い接触抵抗および高い信頼性が達成されるためである、と結論づけることができる。低い駆動電圧は、高い駆動力に対して反するものであり、したがって問題である。
【０００７】
静電駆動は、極性の異なる電極間の力に依存する。２つの導電体間の電位差により、エネルギーを保存する電界がもたらされる。導電体の位置が変化することにより、電界に保存されるエネルギーの量、すなわち静電容量が影響を受ける場合、両導電体に誘引力が作用する。この力は、機械的に阻止されなければエネルギー勾配の空間方向への移動をもたらす向きを有している。この状況を以下の式によって記述することができる。
【数１】
ここで、Ｆは機械力であり、Ｕは駆動電位であり、ｘは機械的作動範囲（ｔｒａｖｅｌ）であり、Ｃは静電容量である。
【０００８】
式（１）によれば、駆動電位を増大させることにより、または静電容量勾配を増大させることにより、力を増大させることができる。電圧の上昇は、一般に、応用によって確定される制限を受ける。一般的な設計目標は、静電容量の勾配を最大限にすることである。単純な平行板コンデンサと１自由度とを想定すると、静電容量の勾配を以下のように記述することができる。
【数２】
ここで、ε０は真空の誘電率であり、εｒは誘電体材料の相対誘電率であり、Ａは電極の表面積であり、ｇ０は初期離隔距離である。εｒ≒１の気体または真空のみが好適な誘電体材料であるため、一般的な設計目標は、表面積を最大化し、電極の離隔距離を最小化することである。
【０００９】
電極面積を増大させる明白な方法は、より大きい電極を使用することである。少なくとも２つの事実により、この方法は実際的な解決法から排除される。機能素子の物理的な寸法を増大させることにより、通常、ウェハ上のデバイスのサイズが大きくなる。結果として、コストが増大し、製造歩留まりが低下する。製造問題に加えて、デバイスが大きくなることにより、集積化問題も発生する。
【００１０】
電極の横方向の寸法を増大させることなく面積を増大させる一般的な手法は、櫛型電極を使用するというものである。
【００１１】
櫛歯の静電容量を、以下の式によって計算することができる。
【数３】
ここで、ｌは櫛歯の長さであり、ｔｈは、ウェハの深さ方向の櫛歯の厚さであり、ｇ０ｃは櫛歯の離隔距離であり、ｎは櫛歯対の数である。横方向寸法が同じであるとすると、平行板コンデンサの静電容量を以下の式によって計算することができる。
【数４】
ここで、ｗは櫛歯の幅であり、ｇ０ｐは電極の離隔距離である。櫛型電極は、以下の条件を満たす場合、平行板コンデンサより大きい単位面積当たりの静電容量を提供する。
【数５】
【００１２】
（５）を配置し直しかつｔｈおよびｇ０ｃの比をＡＲアスペクト比に置き換えることにより、以下の関係を導出することができる。
【数６】
関係（６）は、櫛型電極の利点が直接、エッチングプロセスのあり得る最大アスペクト比によって決まることを述べている。関連するパラメータに対しｇ０ｐ＝１μｍ、ｗ＝１μｍ、ｇ０ｃ＝４μｍおよびｔｈ＝４０μｍ（ＡＲ＝１０）として技術的に実現可能な形状を想定すると、櫛型設計は、単位面積当たり８倍大きい静電容量を提供する。櫛型電極が、高い駆動静電容量を得ることに関して有利であるということを結論付けることができる。
【００１３】
しかしながら、静電駆動に関し、高静電容量は、中間結果としての役割を果たすのみである。式（１）によれば、力は静電容量の勾配に比例する。先の計算に対して使用した対称的な設計では、対象となる方向、すなわち櫛歯の向きに対して直交する方向にいかなる正味の力ももたらさない。対称性を破る明白な解決法は非対称レイアウトを使用することであり、すなわち、ｇ０ｃが櫛型の両側で異なる。ｇ０ｃは通常可能な限り技術的に小さいように選択されるため、ｇ０ｃが異なるということは、一般に一方の側のｇ０ｃが増大することを意味する。非対称な離隔距離をもたらすより的確な手法は、離隔距離が最小の対称的な櫛歯を製造し、後処理ステップにおいて可動構造を変位させるというものである。この原理を、以下ギャップ低減（ｇａｐ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）と呼ぶ。
【００１４】
櫛型設計によって得られる力と平行板コンデンサによって得られる力との比に対して分析的記述を導出することは、容易に可能であるが幾分冗長である。しかしながら、上述した数値例を参照すると、可動構造が２．１μｍ偏向すると駆動力は等しくなる。３μｍ偏向しかつそれとともに残っている電極の離隔距離が１μｍである（実際に安全な最小数であることが証明されている）と、櫛型設計の力は４倍大きくなる。ギャップ低減の技法により、高静電容量の利点を大きい機械力にうまく移すことができると結論付けることができる。
【００１５】
大きい力に加えて、ギャップ低減には、さらなる重要な利点がある。可動要素および固体要素をより近づけることにより、接点要素の残りの作動範囲およびそれとともにスイッチング時間が低減する。オーミックコンタクトスイッチには、確実なスイッチングに対してわずかな作動範囲があればよい。表面粗さ、可撓性および電気的ブレークスルーを考慮しても、最小作動範囲は通常、最小ｇ０ｃより一桁小さい。
【００１６】
ギャップ低減を実現する１つのあり得る解決法は、文書（特許文献１）に示されている。この文書は、その初期位置から偏向する可動構造について記載している。動きは、以下ストッパと呼ぶ接点要素によって停止される。可動要素までの離間距離は、最初に定義された最小離間距離より小さくなる必要があるため、ストッパの存在は矛盾して見える可能性がある。しかしながら、実際には、設計規則から局所的に逸脱することが可能である。「局所的に」という用語は、ストッパの位置における設計が、設計者により非常に注意深く調べられることを意味する。周囲の要素は、ストッパの要件に対して特に適合される必要がある。したがって、任意の位置でその小さい離間距離を制作することは不可能である。設計規則は残っている。
【００１７】
ギャップ低減機構の実際の適合性は、一度の駆動に必要な周辺部により、かつ低減したギャップの状態を永久的に維持する技法により定義される。追加の周辺部は、全体的な概念の利点を妨げないように、ウェハの面積のわずかな量しか消費しないものであるべきである。ラッチ機構は、永久的な駆動信号の印可に依存するべきではない。そうでなければ、これにより、連続的に電力が消費されるか、または供給の障害の後に未知の状態になる可能性がある。
【００１８】
横方向可動体の偏向状態を維持する技法は、文書（特許文献２）に記載されている。機械式ラッチングは、機械的構造間の形状適合（ｆｏｒｍ−ｆｉｔｔｉｎｇ）の結果である。この概念の不都合は、最小離隔距離による横方向間隔が事前に確定されるため明白となる。この場合、中間位置、すなわちｇ０ｃの分数おける機械式ラッチングは、実現が困難である。形状適合要素の大きいサイズおよび複雑な形状は、設計規則の局所的な偏差に適していない。
【００１９】
実際の実装（平行板電極または櫛型電極）とは無関係に、駆動機構は、接点要素に結合される必要がある。「接点要素」という用語は、スイッチング機能を実現するために物理的に接触させられる金属化構造を言う。アクチュエータと接点要素との間である種の弾性を実現する正当な理由がある。
【００２０】
文書（特許文献３）および（特許文献４）は、プログレッシブばねを実装するために可撓性接点を使用することを記載している。スイッチの開成状態では追加の弾性は停止状態である。最初、アクチュエータは、主ばね、すなわち接点を枠に接触させるばねを偏向させる力を提供するのみでよい。駆動電圧を低くすることができる。接触の瞬間、接点の弾性が作動を開始する。アクチュエータの作動は停止しない。駆動電極間の離隔距離は低減し続ける。したがって、力が増大する。機械的に直列に接続されているため、力は、接点に対しその極限まで作用する。
【００２１】
表面技術を使用するスイッチの大部分の実装は、駆動電極の物理的接触に依存する。間のアイソレーション層が電気的短絡を防止する。しかしながら、この層は、一般に帯電しやすい。アイソレーションの帯電により、スイッチは解放されない。この故障モードは通常スティッキングと呼ばれる。文書（特許文献３）および（特許文献４）に記載されている発明は、プログレッシブばねを、接触力の増大のためのみでなく、好ましくは解放力の増大のために使用する。追加の解放力は駆動電極にしか作用しないことを留意することが重要である。接点自体は、駆動電圧を低く維持するために通常小さい、主ばねの力のみによって解放される。
【００２２】
文書（特許文献５）は、上述したタイプのスイッチングデバイスについて記載している。この文書は、機械力の増大のための要素と、静電駆動部と接点ビームとの間のスイッチの高周波アイソレーションのためのアセンブリとを提供する概念を含んでいる。機械力の増大のための要素は、それぞれ、静電駆動部と接点ビームおよび／またはプログレッシブ効果を有する弾性要素との間のレバー機構かまたは、静電駆動部と接点ビームとの間の力の束に設けられたクラッチ機構のいずれかである。高周波アイソレーションは、レバー機構上のメタライゼーションの分断によって具現化される。
【００２３】
静電駆動ＭＥＭＳスイッチに対する多くの応用では、広い周波数範囲（たとえば１ＭＨｚ…１００ＧＨｚ）において低い挿入損失および高いアイソレーション（たとえば、それぞれ−０．５ｄＢおよび−３０ｄＢ）が必要である。低駆動電圧（たとえば５Ｖ）で低いスイッチ時間（たとえば１０μ秒未満）が達成されるべきであり、スイッチは、接点摩耗および接点スティッキングが信頼性を１０９スイッチサイクル未満まで制限しないように設計されなければならない。スイッチの接点要素が信号線に永久的に接続され、かつスイッチの接地電位との電気的接続としての役割を果たす、シャント構成でのＭＥＭＳスイッチは、基本的に、周波数範囲およびアイソレーション要件に適合するが、以下の問題が発生する。
【００２４】
低スイッチ時間および十分な信頼性は、比較的強い駆動力を必要とする。これは、低駆動電圧に対する要求と対照的である。あり得る解決法は、垂直駆動電極と比較して相対的に電極面積が広いために、水平駆動の櫛型駆動電極を適用するというものである。しかしながら、完全な周波数帯域が伝送されるべきであるため、電気的シャント接点とアクチュエータとの間の機械的結合は、信号線を分離させることなく達成されなければならず、かつラインインピーダンスの変動が可能な限り小さくあるべきである。
【００２５】
さらなるあり得る解決法は、信号線の可撓性部分であり、それは、シャント接点を支持することができかつアクチュエータに機械的に結合され、スイッチが駆動されるとその屈曲によりさらなる力を提供する。この力は、駆動力を抑制し、接触力を低減させ、その結果、必要な駆動電圧が高くなる。信号線の極めて幅が狭く長い可撓性部分が解決法になるが、この種の信号線のインピーダンスは、大部分の場合、供給線のインピーダンスから大きく逸れる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／０２１９１１３Ａ１号明細書
【特許文献２】独国特許第６０ ２００５ ００２ ２７７ Ｔ２号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００３／０００９８６１Ａ１号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００５／００９９２５２Ａ１号明細書
【特許文献５】国際公開ＷＯ２００８／１１０３８９Ａ１号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
したがって、本発明の目的は、低損失で、広い周波数範囲において高アイソレーションであり、低駆動電圧でスイッチ時間が短く、かつ十分な信頼性のある、シャント構成のマイクロメカニカルスイッチングデバイスを提供することであり、スイッチングデバイスは、信号線のラインインピーダンスおよびその変動が可能な限り小さいように設計される。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
その目的は、上述したタイプの静電駆動マイクロメカニカルスイッチングデバイスであって、シャント構成において、接地線と信号線との間のオーミックコンタクトを閉成しかつ解放し、接点要素が、信号線に対して少なくとも部分的に反対方向に延在しかつ信号線の両部分それぞれに電気的かつ機械的に接続されている可動接点ビームを備え、接地線が、接点ビームと接地線との間にオーミックコンタクトを形成するように、信号線のギャップを通る少なくとも１つの接点バーを備え、接点ビーム、信号線および接地線の少なくとも上壁および側壁にコンタクトメタライゼーションが設けられる、スイッチングデバイスによって解決される。
【００２９】
本発明によれば、接点ビームを備えたシャント構成のスイッチングデバイスであって、接点ビームは、その両端において、必ずしもではないが概して同一平面状のストリップ信号線である信号線に、機械的にかつ電気的に接続され、かつ電極によって駆動されている可動プッシュロッドにさらに接続される、スイッチングデバイスが提供される。接点ビームは、駆動力によって屈曲する。接点ビームの寸法は、それが高弾性を提供し、したがって駆動を抑制する力が弱いように選択される。しかしながら、接点ビームは、追加の復元力を提供する。この力を使用して、接点のスティッキングを防止することができる。しかしながら、復元力が高すぎると、最小駆動電圧が高くなり、それは望ましくない。したがって、本発明によれば、図面を参照して後述するように、幾分長くかつ細い接点ビームを使用する必要がある。こうした細いビームはインダクタンスが高い。
【００３０】
低周波数およびＤＣでは、接点ビームのインダクタンスは重要ではない。それは、高いＧＨｚ周波数において重要である。したがって、本発明は、信号線のかなりの部分が、高周波数に対して追加の容量結合を形成するために、接点部分に対して平行に配置される、スイッチングデバイスを提案する。したがって、長い接点ビームの誘導的影響を低減する追加の電流路が形成される。したがって、ラインインピーダンスの不整合の問題なしに、低剛性に対する要求を満足させることができる。
【００３１】
高周波域におけるオーミックスイッチのアイソレーションは、入力ポートから出力ポートまでの容量クロストークによって制限される。したがって、本発明では、信号線内に、２つの接点セットが直列に付与され、それらはともに、オフ状態で開成されオン状態で閉成される。接点は、弾性接点ビームの両側に配置される。
【００３２】
可動接点ビームの抵抗は、スイッチのオン抵抗およびオン状態における電力損失の要因になる。したがって、接点ビームにおける両接点間の電気的接続または接点ビームの抵抗は、信号線に対して直列であり、スイッチングデバイスの性能を制限する。したがって、本発明は、接点ビーム、接地線および信号線の上壁および側壁の上に金属を堆積させることを提案し、それにより、この抵抗が著しく低下する。そのコンタクトメタライゼーションを、たとえば接点ビームの構造化の後の金属スパッタリングによって具現化することができる。この場合、メタライゼーション領域を画定するためにシャドウマスクを付与しなければならない。別法として、スイッチングデバイスの可動部分の構造化の前に、電気メッキにより相対的に厚い金属層を付与することができる。それを、可動接点および固定接点に対する接点材料として同様に使用してもよい。しかしながら、その別の解決法では、シリコンエッチングプロセス中にこの層の保護が必要であり、後続するプロセス中に接触面の汚染があり得る。
【００３３】
高駆動力および低スイッチ時間を達成するために、非起動状態における可動接点先端部および固定接点先端部の離隔距離と、可動駆動電極および固定駆動電極の離隔距離とがともに、可能な限り小さくなければならない。製造技術制約により、電極間および接点先端部間の間隔の最小寸法が限られる。したがって、本発明の好ましい実施形態によれば、より小さい離隔距離を達成するために、製造シーケンスの最後に起動されるギャップ低減機構が付与される。ギャップ低減機構は、可動枠を備え、それは、各復元ばねの固定端に設けられ、かつ少なくとも部分的に１つの固定付着パッドを包囲し、可動枠は、少なくとも１つの追加の誘引電極に対向し、かつ追加の誘引電極に起動電圧が印可されると付着パッドに向かって移動するように、弾性的に懸架され、可動枠は、可動枠と復元ばねとの間の接続の側において付着パッドにおいて停止し、付着パッドおよび可動枠は、微細溶接によってその配置で永久的に接合される。すべての可動枠によりギャップ低減処置を行った後、駆動電極の離隔距離および接点の離隔距離は永久的に低減する。付着パッドが、可動枠と復元ばねとの間の接続の側において可動枠と接触するように設けられているため、復元力に対する製造公差の影響を低減することができる。
【００３４】
その構成の特定の実施形態では、付着パッドは、その上面に、スイッチングデバイスの基板材料のドーピングより高濃度ドーピングを有している。これを用いて、微細溶接の流れをより小さい体積に局所化し、それにより必要なエネルギーおよび電圧をそれぞれ低減することができる。
【００３５】
その構成の変形では、機械的安定性を向上させかつ製造公差の影響を低減するために、可動枠は２つの部分に分割される。
【００３６】
さらに、可動枠のギャップ低減電極に面している面が、他の面に比較して著しく広いため、機械的剛性を向上させることができ、静電力による望ましくない屈曲および引込みを防止することができる。付着パッドと接触する枠の面は、製造公差により付着パッドの可動枠の対応する面に対する離隔距離が異なることになる場合であっても、両付着パッドに密に接触するための弾性を提供するように具現化される。
【００３７】
小さい漏れ電流のために、処理中または陽極接合のような静電気補助ウェハレベルパッケージ手順の間の放電が、スイッチングデバイスの電極または接点に損傷を与える可能性がある。したがって、本発明のさらなる実施形態では、アンダーエッチングにより基板から解放されている金属ブリッジが、スイッチングデバイスの製造および／または処理中に、固定電極および可動電極に電気的に接続されている電気線の間に設けられる。さらなる実施形態によれば、アンダーカットを有する金属ブリッジが、スイッチングデバイスの製造および／または処理中に、信号線および接地線に電気的に接続されている電気線の間に設けられる。金属ブリッジは、製造および処理中の駆動電極間または接点間の電位を阻止する。したがって、上述したようにスイッチングデバイスの製造および処理中の放電および破損を、除去できないにしても大幅に低減することができる。金属ブリッジが、基板のトレンチによってアンダーカットされているため、金属ブリッジの熱伝導性および熱時定数を低減することができる。
【００３８】
別法では、固定電極および可動電極、ならびに信号線および接地線のそれぞれに接続されている電気線は、スイッチングデバイスの処理および／またはウェハレベルパッケージング中に、スイッチングデバイスのアイソレーション層の接点窓および後続するメタライゼーションによって、基板材料に電気的に接続され、それにより放電および損傷が低減する。
【００３９】
その構成において、アンダーエッチングによって基板から解放されている少なくとも１つの金属ブリッジが、接点窓への接続経路内に挿入されている場合、金属ブリッジを、スイッチングデバイスの製造および処理プロセスの最後に、指定された接点によって提供されなければならない電流によって焼き切ることができる。
【００４０】
接点窓が、基板の上面の局所ドーピング領域によって形成され、局所ドーピング領域が金属によって接続され、金属がドーピング領域の上に開口部を有する場合、特に有利である。局所ドーピング領域は、接点窓の真下の基板材料の接触抵抗を低下させる。開口部を小さくすることができ、それは、製造手順の最後において、固定電極と可動電極との間、かつ信号線と接地線との間の電気接続を分断するように、接点窓を別の配置として完全にアンダーエッチングするために、さらなるエッチングステップに使用される。
【００４１】
駆動端子と櫛型電極との間の抵抗と駆動電極の静電容量とはともに、電気系の時定数とスイッチ時間の増大とをもたらす。この問題を克服するために、スイッチングデバイスの電極はシリコンから構成され、シリコン材料は駆動部の領域に局所ドーピングされる。これにより、電気系の抵抗は低下し時定数は低減する。
【００４２】
復元ばねは、非作動状態に切り換わる時、接点の離隔距離に対しかつ接点の付着力を克服するために十分大きい力を提供する。復元ばねの力は、アクチュエータの力を抑制し、それにより、駆動状態における接触力を低減する。したがって、低剛性の復元ばねを使用することが望ましい。付着力による接点スティッキングの危険をもたらすことなく低剛性のばねを使用することができるために、本発明の実施形態では、プッシュロッドと接点ビームの接点先端部との間に弾性ビーム要素が設けられ、プッシュロッドおよび可動電極の質量は、接点ビームおよび接点先端部の質量の３倍超である。弾性接点ビームは、駆動状態でアクチュエータの力によって圧縮される。非駆動状態に切り換わる時、電極およびプッシュロッドは、復元ばねおよび圧縮された弾性接点ビームの力の下で加速する。最初は、接点は閉成したままである。接点のスティッキングを想定すると、電極およびプッシュロッドの推進力（ｍｏｍｅｎｔｕｍ）によって、分離力が一時的に増幅される。
【００４３】
本発明は、シャント構成のスイッチングデバイスを含むため、コンタクトメタライゼーションにより、信号線と接地線との間の容量結合が強固になる。したがって、本発明の別の実施形態では、信号線および／または接地線は、コンタクトメタライゼーションの位置でストリップの２つの側に分割され、ストリップは、基板から深さの隔たりがある。この構成により、結合容量がはるかに小さくなる。信号線または接地線は、コンタクト金属堆積の位置でストリップに分割される。ストリップは、アンダーエッチングが容易に可能であるように幅が狭い。基板からの離隔は、ストリップ間の電気的接続を回避するために必要である。ＲＦ電極に対し、各側のストリップの１つを除くすべてが電気的に絶縁されていない。最外ストリップのみが電気的に接続される。ストリップに分割することにより、それぞれ、結合面積が小さくなり、静電容量が低くなる。絶縁されたストリップにより、ＲＦ信号線とストリップとの間の結合容量とＲＦ接地とストリップとの間の静電容量との直列接続がもたらされる。静電容量の直列接続により、静電容量が元のものより小さくなる。
【００４４】
ＷＬＰによるデバイスのハーメチックシールにより、通常、基板またはカバーに垂直ビアを有することが必要となり、それにより外形の小型化が制限される。これを克服するために、本発明の特定の例では、スイッチングデバイスの電気端子への線が、スイッチングデバイスの封止領域内の平坦な溝に配置され、基板に対するアイソレーション層およびラインを覆うさらなるアイソレーション層によって隔離され、さらなるアイソレーション層は、基板の表面が線の領域において平坦であるように部分的に除去される。これにより、埋め込まれた金属線が形成される。したがって、非常に平坦な面を必要とする陽極接合によるウェハレベルパッケージングが可能となる。
【００４５】
本発明の別の実施形態では、接地線は、プッシュロッドの方向に延在するスロットによって分断される。
【００４６】
本発明の別の好ましい実施形態では、スイッチングデバイスの信号線は、２つの位置においてそれぞれギャップによって分断され、２つの接点要素があり、それらは各々、信号線に対して少なくとも部分的に反対方向に延在し、かつ信号線の両部分に電気的にかつ機械的に接続される可動ビームを備え、またプッシュロッドに機械的に接続され、したがって可動電極によって同時に駆動され、接地線は、接点ビームと接地線との間にオーミックコンタクトを形成するように、信号線の各ギャップの位置に少なくとも１つの接点バーを備える。したがって、本発明のスイッチングデバイスを、二重接点シャント構成で使用することができる。
【００４７】
添付図面は、本発明の実施形態がさらに理解されるように含められており、本明細書に組み込まれかつその一部を構成している。図面は、本発明の実施形態を例示し、説明とともに、本発明の原理を説明する役割を果たす。他の実施形態および意図された利点の多くは、以下の詳細な説明を参照してよりよく理解されることになるため、容易に認識されるであろう。図面の要素は、必ずしも互いに対して同じ比例尺で描かれていない。図示するスイッチングデバイスの等しいかまたは同様の要素又は詳細は、同じかまたは同様の参照数字によって識別されている。繰返しを避けるために、特定の図を参照して行うこれら要素または詳細の説明は、絶対的に排除されない場合、他の図にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施形態による、シャント構成の静電駆動マイクロメカニカルスイッチングデバイスの基本構造の平面図を概略的に示す。
【図２】図示されているコンタクトメタライゼーション領域を含む、本発明の実施形態によるスイッチングデバイスの平面図および断面図を概略的に示す。
【図３】起動前のギャップ低減のための機構を備えた、本発明のさらなる実施形態によるスイッチングデバイスの平面図を概略的に示す。
【図４】ギャップ低減のための機構の起動後の図３のスイッチングデバイスを概略的に示す。
【図５】同様に断面図に示す金属ヒューズを備えた、本発明の別の実施形態によるスイッチングデバイスの平面図を概略的に示す。
【図６】同様に断面図に示す金属ヒューズと高抵抗電流路とを備えた、本発明のさらに別の実施形態によるスイッチングデバイスの平面図を概略的に示す。
【図７】局所ドーピングシリコンを備えた、本発明のさらなる実施形態によるスイッチングデバイスの平面図および断面図を概略的に示す。
【図８】弾性ビームを備えた、非駆動状態での本発明の次の実施形態によるスイッチングデバイスの平面図を概略的に示す。
【図９】駆動状態の図８のスイッチングデバイスを概略的に示す。
【図１０】スイッチングデバイスのオン状態とオフ状態との間の切換え中の図８および図９のスイッチングデバイスを概略的に示す。
【図１１】推進力による力の増幅を示す、図８〜図１０のスイッチングデバイスを概略的に示す。
【図１２】接点ビームの接点先端部の上ならびに信号線および接地線の一部の上の図示されているコンタクトメタライゼーション領域を含む、本発明の実施形態によるスイッチングデバイスの平面図を概略的に示す。
【図１３】ストリップ状信号線およびコンタクトメタライゼーションを備えた、本発明の別の実施形態によるスイッチングデバイスの平面図を概略的に示す。
【図１４】電気端子が平坦な溝に配置されかつアイソレーション層によって隔離されている、本発明の次の実施形態によるスイッチングデバイスの平面図を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
図１は、本発明の実施形態によるシャント構成の静電駆動マイクロメカニカルスイッチングデバイス１の基本構造の平面図を概略的に示す。図１では、シャント接点は閉成している。
【００５０】
スイッチングデバイス１は、結晶シリコン基板のバルク材料に形成されている。スイッチングデバイス１の可動部分はすべて、結晶シリコンおよび金属からなる。本発明の他の図示しない実施形態では、スイッチングデバイス１を、別のマイクロメカニカルに処理可能な材料で形成することも可能である。
【００５１】
図示する平面図では、スイッチングデバイス１は、実質的に対称的に形成されている。スイッチングデバイス１は、櫛型電極２、３を有する駆動部を備えている。櫛型電極は、基板に直接機械的に接続されている固定電極２と、基板材料から分離されている可動電極３とを含む。可動電極３を、基板の平面において水平に移動させることができる。簡略化するために、図１では、固定電極２および可動電極３の２つの対のみを示しているが、実際には、駆動部は、通常、それぞれ互いに対向する複数の固定電極２および可動電極３から構成される。技術制約によって与えられる最小電極離隔距離および応用に関連する駆動電圧は、ともに、静電駆動力およびスイッチ時間とともに、結果としてスイッチングデバイス１の接触信頼性を制限する。
【００５２】
可動電極３は、電極２、３の中心を通って延在する可動プッシュロッド４の両側から延在している。プッシュロッド４は、少なくとも１つの復元ばね５上に懸架され、復元ばね５は、一方の側が基板に機械的に接続されている。図１の例では、プッシュロッド４の端部に２つの復元ばね５が設けられており、プッシュロッド４の中間部分にさらなる復元ばね５が設けられている。本発明の他の図示しない実施形態では、プッシュロッド４に対する復元ばねの数および位置を、図１の構成と比較して変更することができる。
【００５３】
プッシュロッド４の非懸架端には、可動または可撓性接点ビーム６が設けられている。接点ビーム６は、プッシュロッド４に対して横方向に、かつスイッチングデバイス１の信号線７に対して少なくとも部分的に反対方向にまたは平行に延在している。接点ビーム６は、図１の参照数字１１ａによって概略的に示す、特定のインダクタンスおよび抵抗を有している。接点ビーム６の寸法は、高弾性を提供するように選択されている。したがって、接点ビーム６は比較的長くかつ細い。接点ビーム６は、その両端に、それぞれ２つの接点ピン８を備えており、そこで、接点ビーム６は信号線７と電気的にかつ機械的に接続されている。高周波域でのオーミックスイッチのアイソレーションは、入力ポートから出力ポートまでの容量性クロストークによって制限される。
【００５４】
上述したように、接点ビーム６は信号線７に対して少なくとも部分的に反対方向に延在するため、信号線７と接点ビーム６との間に、図１に概略的に示す結合容量９がある。
【００５５】
スイッチングデバイス１の動作時、接点ビーム６は、電極２、３、プッシュロッド４および復元ばね５の協働によって接点ビーム６に付与される駆動力によって屈曲する。接点ビーム６は、高弾性であるため、駆動を妨げる力はごくわずかである。
【００５６】
信号線７は、ギャップ１０によって２つの部分７ａ、７ｂに分割されており、接点ビーム６の各接点ピン８は、これら部分７ａ、７ｂのうちの一方に接続されている。信号線７は、通常ＲＦ電極であり、特定のインダクタンスおよび抵抗１１ｂを有している。
【００５７】
図１の例では、スイッチングデバイス１の接地線１３は、プッシュロッド４の方向に延在するスロット１３ａによって、２つの接続された部分に分断されている。接地線１３の接点バー１２は、ギャップ１０を通って延在し、図示する駆動状態では接点ビーム６と接触し、スイッチングデバイス１の非駆動状態では接点ビーム６と接触しない。復元ばね５は、駆動部の駆動力を抑制し、スイッチングデバイス１の非駆動状態では、接点ビーム６を接地線１３の接点バー１２から分離する。図１に示す例では、接地線１３はＶ字形に形成されており、その「Ｖ」の軸の間にスロット１３ａを備えている。本発明の他の図示しない実施形態では、信号線７および接地線１３を、図１に示すものとは別の方法で形成することができる。しかしながら、すべての場合において、信号線７および接地線１３は、接点ビーム６のスイッチングデバイス１の駆動機構とは反対側に設けられる。
【００５８】
たとえば図２に示すように、接点ビーム６と信号線７および接地線１３の一部の上壁および側壁は、コンタクトメタライゼーション１４によって覆われている。
【００５９】
図１の下方部分において実線Ｌおよび破線Ｈによって概略的に示すように、スイッチングデバイス１の動作中、低周波数電流路Ｌおよび高周波数電流路Ｈがある。低周波数電流路Ｌは、信号線７ｂから信号線７ｂの最も広い延長部を通り、接点ピン８を通り、接点ビーム６を通り、接点バー１２を通って、接地線１３まで長距離を流れる。高周波数電流路Ｈは、信号線７ｂから、接点ビーム６のわずかな部分を通り、接点バー１２を通って接地線１３まで短距離を流れる。
【００６０】
図２の上方部分はまた、コンタクトメタライゼーション１４の図示する領域とともに、本発明の実施形態によるスイッチングデバイス１ａの平面図を概略的に示す。図２の下方部分は、図２の上方部分の交線Ａ−Ａに沿った断面図を示す。図示するように、コンタクトメタライゼーション１４の領域では、基板１５材料からなる接点ビーム６がメタライゼーション１４で覆われており、一方で、金属層１６によって覆われている、基板１５の他の領域にある信号線７および接地線１３の一部の上壁および側壁が、コンタクトメタライゼーション１４によってさらに覆われている。
【００６１】
コンタクトメタライゼーション１４により、この領域における接点ビーム６、信号線７および接地線１３の抵抗が大幅に低下する。上述したように、コンタクトメタライゼーション１４は、構造の側壁も覆う。これは、横方向の移動によって接点ビーム６と接地線１３と間にオーミックコンタクトを得るために必要である。コンタクトメタライゼーション１４を、たとえば、接点ビーム６の構造化の後の金属スパッタリングによって形成することができる。コンタクトメタライゼーション１４の領域を画定するために、シャドウマスクを付与しなければならない。別法として、電気メッキすることにより、可動部分の構造化の前に比較的厚い金属層を付与することができる。それを、可動接点および固定接点に対して同様に接点材料として使用してもよい。このプロセスの場合、シリコンエッチングプロセス中にその金属層を保護する必要があり、そこでは、後続するプロセスの間に接触面の汚染があり得る。
【００６２】
図３は、本発明のさらなる実施形態によるさらなるスイッチングデバイス１ｂの平面図を概略的に示し、そこでは、スイッチングデバイス１ｂは、図１のスイッチングデバイス１および図２のスイッチングデバイス１ａのように等しいかまたは同様の要素および詳細を備えており、スイッチングデバイス１ｂは、ギャップ低減のための機構をさらに備えており、そこではその機構の駆動前を示す。図４は、ギャップ低減のための機構の駆動後の図３のスイッチングデバイスを概略的に示す。
【００６３】
図３に示す状態では、接点ビーム６は、信号線７の部分７ａ、７ｂに機械的にかつ電気的に接続されていない。代りに、後述するギャップ低減の前に接点離隔距離１７がある。
【００６４】
図４に示すように、接点ビーム６と信号線７との間の接触をもたらすギャップ低減を具現化するために、各復元ばね５の固定端２１にそれぞれ、可動枠１８、追加の誘引電極１９および付着パッド２０が挿入されている。可動枠１８は、少なくとも部分的に、少なくとも１つの付着パッド２０を包囲し、追加の電極１９のうちの少なくとも１つに対向している。可動枠１８は、さらなる弾性ビームおよびアンカーにより弾性的に懸架されており、それにより、電気的に接続するためにプローブパッドを使用して追加の電極１９に駆動電圧が印可されると、可動枠１８は付着パッド２０に向かって移動する。したがって、接点ビーム６、プッシュロッド４および可動駆動電極３を含むスイッチングデバイス１ｂの可動部分も同様に移動し、図４に示すように、非駆動状態において、一方の側で固定電極２に対する可動電極３の離隔距離が低減し、かつ接点離隔距離１７が低減する。同様に図４に示すように、可動枠１８は、少なくとも１つの付着パッド２０において停止する２２。そして、付着パッド２０および可動枠１８は、付着パッド２０および可動枠１８に電流を印可する微細溶接手順によって永久的に接合される。付着パッド２０をそれらの上面に高濃度ドーピングすることにより、微細溶接の流れをより小さい体積まで局所化し、それにより、必要なエネルギーおよび電圧をそれぞれ低減することができる。
【００６５】
特定の図示しない実施形態では、機械的安定性を向上させかつ製造公差の影響を低減するために、可動枠１８を２つの部分に分割することも可能である。さらに、機械的剛性を向上させかつ静電力による望ましくない屈曲および引込みを防止するために、可動枠１８の追加の電極１９に向いている面は、他の面に比較して大幅に広い。可動枠１８の付着パッド２０と接触する面は、製造公差により付着パッド２０の可動枠１８の対応する面に対する隔離距離が異なる場合であっても、付着パッド２０に密に接触するための弾性を提供するように具現化される。
【００６６】
図３および図４に示す実施形態では、付着パッド２０は、可動枠１８の対応する面の、可動枠１８と復元ばね５との間の接続部分に近くに接触するように配置されている。それにより、復元力５に対する製造公差の影響が低減する。
【００６７】
図４に示すように、すべての可動枠１８による上述したギャップ低減手順を行った後、駆動電極の離隔距離および接点離隔距離１８は永久的に低減する。
【００６８】
図５は、本発明の別の実施形態によるスイッチングデバイス１ｃの平面図を概略的に示し、そこでは、スイッチングデバイス１ｃは、断面図で示す金属ブリッジ２３、２４の形態の金属ヒューズも有している。
【００６９】
駆動電極２、３および接点（信号線７および接地線１３）を電気的に接続する金属ブリッジ２３、２４により、製造および処理中の駆動電極間または接点間の電位が阻止される。図５において金属ブリッジ２３、２４の断面図に示すように、金属ブリッジ２３、２４は、基板１５上に形成されたアイソレーション２５上の自立ブリッジとして形成されており、金属ブリッジ２３、２４の熱伝導性および熱時定数を低減するために、基板１５においてトレンチ２６によりアンダーカットされている。スイッチングデバイス１ｃの試験における初期ステップでは、これら金属ブリッジ２３、２４に対し、それらを焼き切りかつ電極２、３と信号線７および接地線１３とを互いに切断するために適切な電流によって負荷をかける。
【００７０】
図６は、金属ヒューズおよび高抵抗電流路を備えた、本発明のさらなる別の実施形態によるスイッチングデバイス１ｄの平面図を概略的に示す。
【００７１】
この実施形態では、信号線７および接地線１３は、アイソレーション層２５の窓２７を接続することによって基板１５に接続される。基板１５材料の局所ドーピングにより、接点窓２７の真下にドーピングシリコン１５ａの層がもたらされ、接触抵抗が低下する。これら接点窓２７の接続部分に、アンダーカット２９を有する金属ブリッジ２８が挿入される。ＲＦ信号の損失をもたらす可能性のあるこの電気的接続を除去するために、基板１５への接続を、製造手順の最後にさらなるエッチングステップによって除去することができる。このエッチングステップ中、接点窓２７の真下のシリコンは除去され、それにより、金属と基板１５との間の接続も除去される。追加のコンタクトパッドがＲＦ性能を劣化させない領域では、基板１５への電気的接続を、金属ブリッジ２８の焼切りによりさらに除去することができる。金属ブリッジ２８を、指定されたコンタクトパッド３０によって供給されなければならない電流によって焼き切ることができる。図６の例では、接点窓２７の金属は中間に小さい開口部３１を有しており、それは、接点窓２７をアンダーエッチングするために製造手順の最後にさらなるエッチングステップで使用される。
【００７２】
図７は、局所ドーピングシリコンを備えた、本発明のさらなる実施形態によるスイッチングデバイス１ｅの平面図および断面図を概略的に示す。スイッチングデバイス１ｅでは、基板１５はシリコン製であり、シリコン材料の表面は、駆動電極２、３の領域において局所ドーピングされている。これにより、電気系の抵抗が低減しかつ時定数が低減する。
【００７３】
図８は、弾性ビームを備えた、非駆動状態における本発明の次の実施形態によるスイッチングデバイス１ｆの平面図を概略的に示す。
【００７４】
復元ばね５は、非作動状態に切り換わる時、接点離隔距離に対しかつ接点の付着力に打ち勝つために十分に大きい力を提供する。復元ばね５の力は、アクチュエータの力を抑制し、それにより、駆動状態において接触力を低減する。したがって、低剛性の復元ばね５を使用することが望ましい。付着力による接点スティッキングの危険をもたらすことなく、低剛性の復元ばね５を使用することができるように、図８の実施形態では、プッシュロッド４と接点ビーム６との間に弾性ビーム要素３２が挿入され、プッシュロッド４および可動櫛型電極２、３は、接点先端部８を有する接点ビーム８に比較して大幅に質量が大きくなるように設計されている。
【００７５】
図９に示すように、弾性ビーム要素３２は、駆動状態においてアクチュエータの力によって圧縮される。図１０に示すように、非駆動状態に切り換わる時、電極２、３およびプッシュロッド４は、復元ばね５および圧縮された弾性ビーム要素３２の力の下で加速する。最初、接点ビーム６と信号線７の部分７ａ、７ｂとの間の接点は閉成したままである。接点のスティッキングを想定すると、付着している場合であっても接点バー１２を接点ビーム６から分離するために、図１１に示すように電極２およびプッシュロッド４の推進力により、分離力が一時的に増幅される。
【００７６】
図１２は、接点ビーム６の接点先端部８の上および信号線７および接地線１３の一部の上の図示するコンタクトメタライゼーション４を備えた、本発明の実施形態によるスイッチングデバイス１の平面図を概略的に示す。信号線７の金属化面と接地線１３の金属化面との間に非常にわずかな離隔距離３３がある。したがって、コンタクトメタライゼーション１４により、ＲＦ信号線７とＲＦ接地線１３との間の容量結合が強固になる。図１２に示すように、コンタクト金属は、表面を覆うのみではなく、同様に構造の側壁をある深さまで覆う。深さが５０μｍ、離隔距離が３μｍかつ長さが８０μｍとすると、メタライゼーションにより１２ｆＦの静電容量がもたらされる。この静電容量により、結合リアクタンスが−２２０ｊΩになり、それは、整合の結果をもたらすには低すぎる。
【００７７】
図１３は、はるかに低い結合容量をもたらす構成を示す。信号線７または接地線１３は、コンタクトメタライゼーション１４の位置においてストリップ３４に分割されている。ストリップ３４は、アンダーエッチングが容易に可能であるように幅が狭い。基板１５からの離隔は、ストリップ３４間の電気的接続を回避するために必要である。ＲＦ電極７、１３に対し、各側のストリップ３４の１つを除くすべてが電気的に絶縁されていない。最外ストリップのみが電気的に接続されている。ストリップ３４に分割することにより、それぞれ、結合面積がより小さくなり静電容量がより低くなる。絶縁されたストリップ３４により、ＲＦ信号線７とストリップ３４との間の結合容量とＲＦ接地線１３とストリップ３４との間の静電容量との直列接続がもたらされる。静電容量の直列接続により、静電容量が元のものより小さくなる。
【００７８】
ウェハレベルパッケージング（ＷＬＰ）による上述したスイッチングデバイスのハーメチックシールにより、通常、基板１５にまたはカバー１０１に垂直ビアを有することが必要となり、それにより外形の小型化が制限される。これを克服するために、図１４に示す本発明の別の実施形態では、電気端子への金属線が、スイッチングデバイスの封止領域内の平坦な溝１５ｂに配置され、垂直ビアの代りに横方向供給トラフのために基板１５に対するアイソレーション層１０２によって分離される。さらなるアイソレーション層１０３が金属線を覆い、それは、表面がこの領域で平坦であるように部分的に除去され、埋め込まれた金属線が形成される。したがって、非常に平坦な面を必要とする陽極接合によるウェハレベルパッケージングが可能となる。
【符号の説明】
【００７９】
１ スイッチングデバイス
１ａ〜１ｆ スイッチングデバイス
２ 固定電極
３ 可動電極
４ プッシュロッド
５ 復元ばね
６ 接点ビーム
７ 信号線
７ａ 信号線
７ｂ 信号線
８ 接点ピン
９ 結合容量
１０ ギャップ
１１ａ インダクタンスおよび抵抗
１１ｂ インダクタンスおよび抵抗
１２ 接点バー
１３ 接地線
１３ａ スロット
１４ コンタクトメタライゼーション
１５ 基板
１５ａ ドーピングシリコン
１５ｂ 平坦な溝
１６ 金属層
１７ 接点離隔距離
１８ 可動枠
１９ 誘引電極
２０ 付着パッド
２１ 固定端
２２ 停止
２３ 金属ブリッジ
２４ 金属ブリッジ
２５ アイソレーション
２６ トレンチ
２７ 接点窓
２８ 金属ブリッジ
２９ アンダーカット
３０ コンタクトパッド
３１ 開口部
３２ 弾性ビーム要素
３３ 離隔距離
３４ ストリップ
１０１ カバー
１０２ アイソレーション層
１０３ アイソレーション層
Ｌ 低周波数電流路
Ｈ 高周波数電流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（１５）のバルクに可動要素が形成され、前記基板（１５）の面における前記可動要素の水平移動により少なくとも１つのオーミックコンタクトを閉成しかつ解放する静電駆動マイクロメカニカルスイッチングデバイス（１）であって、
櫛型電極（２、３）を有する駆動部であり、前記電極（２、３）が固定駆動電極（２）および可動電極（３）を含む、駆動部と、
前記可動電極（３）に機械的に接続されかつ前記電極（２、３）を通して延在している可動プッシュロッド（４）と、
前記プッシュロッド（４）の一方の側に機械的に接続されている可動接点要素と、
前記プッシュロッド（４）に機械的に接続されている少なくとも１つの復元ばね（５）と、
信号線（７）および接地線（１３）であり、前記信号線（７）がギャップ（１０）によって分断される２つの部分（７ａ、７ｂ）を含む、信号線（７）および接地線（１３）と、
を備える、スイッチングデバイス（１）であり、
シャント構成において、前記接地線（１３）と前記信号線（７）との間の前記オーミックコンタクトを閉成しかつ解放し、前記接点要素が、前記信号線（７）に対して少なくとも部分的に反対方向に延在しかつ前記信号線（７）の両部分（７ａ、７ｂ）それぞれに電気的かつ機械的に接続されている可動接点ビーム（６）を備え、
前記接地線（１３）が、前記接点ビーム（６）と前記接地線（１３）との間に前記オーミックコンタクトを形成するように、前記信号線（７）の前記ギャップ（１０）を通る少なくとも１つの接点バー（１２）を備え、
前記接点ビーム（６）、前記信号線（７）および前記接地線（１３）の少なくとも上壁および側壁にコンタクトメタライゼーション（１４）が設けられることを特徴とするスイッチングデバイス。
【請求項２】
可動枠（１８）が、各復元ばね（５）の固定端（２１）に設けられ、かつ少なくとも部分的に１つの固定された付着パッド（２０）を包囲し、前記可動枠（１８）が、少なくとも１つの追加の誘引電極（１９）に対向し、かつ前記追加の誘引電極（１９）に起動電圧（ＶＧＲ）が印可されると、前記付着パッド（２０）に向かって移動するように弾性的に懸架され、前記可動枠（１８）が、前記可動枠（１８）と前記復元ばね（５）との間の接続部の側において前記付着パッド（２０）において停止し（２２）、前記付着パッド（２０）および前記可動枠（１８）が微細溶接によりその配置で永久的に接合されることを特徴とする、請求項１に記載のスイッチングデバイス。
【請求項３】
前記付着パッド（２０）が、それらの上面に、当該スイッチングデバイス（１ｂ）の前記基板（１５）の材料のドーピングより高濃度であるドーピングを有することを特徴とする、請求項２に記載のスイッチングデバイス。
【請求項４】
前記可動枠（１８）が２つの部分に分割されることを特徴とする、請求項２または３に記載のスイッチングデバイス。
【請求項５】
前記追加の誘引電極（１９）に面している前記可動枠（１８）の面が、その他の面に比較して幅が広いことを特徴とする、請求項２〜４のいずれか一項に記載のスイッチングデバイス。
【請求項６】
アンダーエッチングにより前記基板（１５）から解放されている金属ブリッジ（２３）が、当該スイッチングデバイス（１ｃ）の製造および／または処理中に、前記固定電極（２）にかつ前記可動電極（３）に電気的に接続されている電気線間に設けられることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスイッチングデバイス。
【請求項７】
アンダーエッチングにより前記基板（１５）から解放されている金属ブリッジ（２４）が、当該スイッチングデバイス（１ｃ）の製造および／または処理中に、前記信号線（７）および前記接地線（１３）に電気的に接続されている電気線間に設けられることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のスイッチングデバイス。
【請求項８】
前記固定電極（２）および前記可動電極（３）ならびに前記信号線（７）および前記接地線（１３）それぞれに接続されている電気線が、当該スイッチングデバイス（１ｄ）の処理および／またはウェハレベルパッケージング中に、当該スイッチングデバイス（１ｄ）のアイソレーション層（２５）の接点窓（２７）および後続するメタライゼーションにより、前記基板（１５）の材料に電気的に接続されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のスイッチングデバイス。
【請求項９】
アンダーカット（２９）を有する少なくとも１つの金属ブリッジ（２８）が、前記接点窓（２７）への接続経路内に挿入されることを特徴とする、請求項８に記載のスイッチングデバイス。
【請求項１０】
前記接点窓（２７）が、前記基板（１５）の上面に局所ドーピング領域によって形成され、前記局所ドーピング領域が、金属によって一時的に接続され、前記金属が、前記ドーピング領域の上に開口部（３１）を有し、前記ドーピング領域が、金属とバルクとの間の短絡を切断するために、当該スイッチングデバイス（１）の接合後に少なくとも部分的に除去されることを特徴とする、請求項８または９に記載のスイッチングデバイス。
【請求項１１】
前記電極（２、３）がシリコンから構成され、前記シリコン材料が前記駆動部の領域に局所ドーピングされることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のスイッチングデバイス。
【請求項１２】
前記プッシュロッド（４）と前記接点ビーム（６）の接点先端部（８）との間に弾性ビーム要素（３２）が設けられ、前記プッシュロッド（４）および前記可動電極（３）の質量が、前記接点ビーム（６）および前記接点先端部（８）の質量の３倍超であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のスイッチングデバイス。
【請求項１３】
前記信号線（７）および／または前記接地線（１３）が、前記コンタクトメタライゼーション（１４）の位置でストリップ（３４）の２つの側に分割され、前記ストリップ（３４）が前記基板（１５）から深さの隔たりがあることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のスイッチングデバイス。
【請求項１４】
当該スイッチングデバイス（１）の電気端子への線が、当該スイッチングデバイス（１）の封止領域内の平坦な溝に配置され、かつ前記基板（１５）へのアイソレーション層および前記線を覆うさらなるアイソレーション層によって隔離され、前記さらなるアイソレーション層が、前記基板（１５）の表面が前記線の領域において平坦であるように部分的に除去されることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のスイッチングデバイス。
【請求項１５】
前記接地線（１３）が、前記プッシュロッド（４）の方向に延在しているスロット（１３ａ）によって分断されることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のスイッチングデバイス。
【請求項１６】
前記信号線（７）が、２つの位置においてそれぞれギャップ（１０）によって分断され、２つの接点要素があり、それら各々が、少なくとも部分的に前記信号線（７）に対して反対方向に延在し、かつ前記信号線（７）の両部分に電気的にかつ機械的に接続されている可動ビーム（６）を備え、また前記プッシュロッド（４）に機械的に接続され、したがって前記可動電極（３）によって同時に駆動され、前記接地線（１３）が、前記接点ビーム（６）と前記接地線（１３）との間に前記オーミックコンタクトを形成するように、前記信号線（７）の各ギャップ（１０）の位置に少なくとも１つの接点バーを備えることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のスイッチングデバイス。
【請求項１】
基板（１５）のバルクに可動要素が形成され、前記基板（１５）の面における前記可動要素の水平移動により少なくとも１つのオーミックコンタクトを閉成しかつ解放する静電駆動マイクロメカニカルスイッチングデバイス（１）であって、
櫛型電極（２、３）を有する駆動部であり、前記電極（２、３）が固定駆動電極（２）および可動電極（３）を含む、駆動部と、
前記可動電極（３）に機械的に接続されかつ前記電極（２、３）を通して延在している可動プッシュロッド（４）と、
前記プッシュロッド（４）の一方の側に機械的に接続されている可動接点要素と、
前記プッシュロッド（４）に機械的に接続されている少なくとも１つの復元ばね（５）と、
信号線（７）および接地線（１３）であり、前記信号線（７）がギャップ（１０）によって分断される２つの部分（７ａ、７ｂ）を含む、信号線（７）および接地線（１３）と、
を備える、スイッチングデバイス（１）であり、
シャント構成において、前記接地線（１３）と前記信号線（７）との間の前記オーミックコンタクトを閉成しかつ解放し、前記接点要素が、前記信号線（７）に対して少なくとも部分的に反対方向に延在しかつ前記信号線（７）の両部分（７ａ、７ｂ）それぞれに電気的かつ機械的に接続されている可動接点ビーム（６）を備え、
前記接地線（１３）が、前記接点ビーム（６）と前記接地線（１３）との間に前記オーミックコンタクトを形成するように、前記信号線（７）の前記ギャップ（１０）を通る少なくとも１つの接点バー（１２）を備え、
前記接点ビーム（６）、前記信号線（７）および前記接地線（１３）の少なくとも上壁および側壁にコンタクトメタライゼーション（１４）が設けられることを特徴とするスイッチングデバイス。
【請求項２】
可動枠（１８）が、各復元ばね（５）の固定端（２１）に設けられ、かつ少なくとも部分的に１つの固定された付着パッド（２０）を包囲し、前記可動枠（１８）が、少なくとも１つの追加の誘引電極（１９）に対向し、かつ前記追加の誘引電極（１９）に起動電圧（ＶＧＲ）が印可されると、前記付着パッド（２０）に向かって移動するように弾性的に懸架され、前記可動枠（１８）が、前記可動枠（１８）と前記復元ばね（５）との間の接続部の側において前記付着パッド（２０）において停止し（２２）、前記付着パッド（２０）および前記可動枠（１８）が微細溶接によりその配置で永久的に接合されることを特徴とする、請求項１に記載のスイッチングデバイス。
【請求項３】
前記付着パッド（２０）が、それらの上面に、当該スイッチングデバイス（１ｂ）の前記基板（１５）の材料のドーピングより高濃度であるドーピングを有することを特徴とする、請求項２に記載のスイッチングデバイス。
【請求項４】
前記可動枠（１８）が２つの部分に分割されることを特徴とする、請求項２または３に記載のスイッチングデバイス。
【請求項５】
前記追加の誘引電極（１９）に面している前記可動枠（１８）の面が、その他の面に比較して幅が広いことを特徴とする、請求項２〜４のいずれか一項に記載のスイッチングデバイス。
【請求項６】
アンダーエッチングにより前記基板（１５）から解放されている金属ブリッジ（２３）が、当該スイッチングデバイス（１ｃ）の製造および／または処理中に、前記固定電極（２）にかつ前記可動電極（３）に電気的に接続されている電気線間に設けられることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスイッチングデバイス。
【請求項７】
アンダーエッチングにより前記基板（１５）から解放されている金属ブリッジ（２４）が、当該スイッチングデバイス（１ｃ）の製造および／または処理中に、前記信号線（７）および前記接地線（１３）に電気的に接続されている電気線間に設けられることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のスイッチングデバイス。
【請求項８】
前記固定電極（２）および前記可動電極（３）ならびに前記信号線（７）および前記接地線（１３）それぞれに接続されている電気線が、当該スイッチングデバイス（１ｄ）の処理および／またはウェハレベルパッケージング中に、当該スイッチングデバイス（１ｄ）のアイソレーション層（２５）の接点窓（２７）および後続するメタライゼーションにより、前記基板（１５）の材料に電気的に接続されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のスイッチングデバイス。
【請求項９】
アンダーカット（２９）を有する少なくとも１つの金属ブリッジ（２８）が、前記接点窓（２７）への接続経路内に挿入されることを特徴とする、請求項８に記載のスイッチングデバイス。
【請求項１０】
前記接点窓（２７）が、前記基板（１５）の上面に局所ドーピング領域によって形成され、前記局所ドーピング領域が、金属によって一時的に接続され、前記金属が、前記ドーピング領域の上に開口部（３１）を有し、前記ドーピング領域が、金属とバルクとの間の短絡を切断するために、当該スイッチングデバイス（１）の接合後に少なくとも部分的に除去されることを特徴とする、請求項８または９に記載のスイッチングデバイス。
【請求項１１】
前記電極（２、３）がシリコンから構成され、前記シリコン材料が前記駆動部の領域に局所ドーピングされることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のスイッチングデバイス。
【請求項１２】
前記プッシュロッド（４）と前記接点ビーム（６）の接点先端部（８）との間に弾性ビーム要素（３２）が設けられ、前記プッシュロッド（４）および前記可動電極（３）の質量が、前記接点ビーム（６）および前記接点先端部（８）の質量の３倍超であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のスイッチングデバイス。
【請求項１３】
前記信号線（７）および／または前記接地線（１３）が、前記コンタクトメタライゼーション（１４）の位置でストリップ（３４）の２つの側に分割され、前記ストリップ（３４）が前記基板（１５）から深さの隔たりがあることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のスイッチングデバイス。
【請求項１４】
当該スイッチングデバイス（１）の電気端子への線が、当該スイッチングデバイス（１）の封止領域内の平坦な溝に配置され、かつ前記基板（１５）へのアイソレーション層および前記線を覆うさらなるアイソレーション層によって隔離され、前記さらなるアイソレーション層が、前記基板（１５）の表面が前記線の領域において平坦であるように部分的に除去されることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のスイッチングデバイス。
【請求項１５】
前記接地線（１３）が、前記プッシュロッド（４）の方向に延在しているスロット（１３ａ）によって分断されることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のスイッチングデバイス。
【請求項１６】
前記信号線（７）が、２つの位置においてそれぞれギャップ（１０）によって分断され、２つの接点要素があり、それら各々が、少なくとも部分的に前記信号線（７）に対して反対方向に延在し、かつ前記信号線（７）の両部分に電気的にかつ機械的に接続されている可動ビーム（６）を備え、また前記プッシュロッド（４）に機械的に接続され、したがって前記可動電極（３）によって同時に駆動され、前記接地線（１３）が、前記接点ビーム（６）と前記接地線（１３）との間に前記オーミックコンタクトを形成するように、前記信号線（７）の各ギャップ（１０）の位置に少なくとも１つの接点バーを備えることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のスイッチングデバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１１−２５８５５３（Ｐ２０１１−２５８５５３Ａ）
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１７５５１（Ｐ２０１１−１１７５５１）
【出願日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【出願人】（５９４１０２４１８）フラウンホーファー−ゲゼルシャフト ツル フェルデルング デル アンゲヴァンテン フォルシュング エー ファウ (63)
【氏名又は名称原語表記】Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ−Ｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ ｚｕｒ Ｆｏｅｒｄｅｒｕｎｇ ｄｅｒ ａｎｇｅｗａｎｄｔｅｎ Ｆｏｒｓｃｈｕｎｇ ｅ．Ｖ．
【住所又は居所原語表記】Ｈａｎｓａｓｔｒａｓｓｅ ２７ｃ， Ｄ−８０６８６ Ｍｕｅｎｃｈｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【出願人】（５９４１０２４１８）フラウンホーファー−ゲゼルシャフト ツル フェルデルング デル アンゲヴァンテン フォルシュング エー ファウ (63)
【氏名又は名称原語表記】Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ−Ｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ ｚｕｒ Ｆｏｅｒｄｅｒｕｎｇ ｄｅｒ ａｎｇｅｗａｎｄｔｅｎ Ｆｏｒｓｃｈｕｎｇ ｅ．Ｖ．
【住所又は居所原語表記】Ｈａｎｓａｓｔｒａｓｓｅ ２７ｃ， Ｄ−８０６８６ Ｍｕｅｎｃｈｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
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