JP4721045B2

JP4721045B2 - 可動素子、ならびにその可動素子を内蔵する半導体デバイス、モジュールおよび電子機器

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Publication number: JP4721045B2
Application number: JP2005195089A
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Inventors: 朗秋葉
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Priority date: 2005-07-04
Filing date: 2005-07-04
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2025-07-04
Also published as: JP2007012558A

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems；マイクロマシン）の要素技術を応用したスイッチング素子や容量素子などの可動素子、ならびにその可動素子を内蔵する半導体デバイス、モジュールおよび電子機器に関する。

近年の集積化技術の向上に伴い、電子機器の小型・軽量化、低電圧動作・低消費電力化、高周波動作化が急速に進んでいる。特に、携帯電話などの移動通信端末装置の技術分野では、上記の要求が厳しい上に、高機能化も求められており、これらの対立する課題を解決する技術の一つとして、ＭＥＭＳが注目されている。このＭＥＭＳは、シリコンプロセス技術により、マイクロな機械的要素と電子回路要素とを融合したシステムであり、日本では主にマイクロマシンと称されるものである。ＭＥＭＳ技術は、その精密加工性などの優れた特徴から、高機能化に対応しつつ、小型で低価格なＳｏＣ（System on a Chip) を実現することができる。

そのため、移動通信端末装置の技術分野では、このＭＥＭＳ技術を利用した様々な半導体素子、例えば、非特許文献１（熱スイッチ），特許文献１（電磁スイッチ），特許文献２（静電スイッチ），特許文献３（圧電スイッチ）にそれぞれ記載されたスイッチング素子などが開発されている。

松下電工技報２００１年５月号「シリコンバイメタルを使った熱駆動型マイクロリレー」米国特許第０１９６１１０号明細書等米国特許第００９８６１３号明細書等特開２００４−１５８７６９号公報

しかしながら、上記に例示されたようなスイッチング素子を構成する継断手段の接触部分は、半導体製造工程で形成されるため、その表面は一般的に鏡面状となる。このため、接触部分同士を接触させるとその表面同士が粘着により密着してしまい、接触部分同士を分離することが困難となるスティクションという問題が生じる虞がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、スティクションの発生を抑制することのできる可動素子、ならびにその可動素子を内蔵する半導体デバイス、モジュールおよび電子機器を提供することにある。

本発明の可動素子は、半導体基板上に、信号を伝送するための信号線路と、信号線路を機械的に継断するための継断手段と、継断手段を切り替えると共に、継断手段の切り替え後の状態を保持するための切替手段と、継断手段の切り替え後の状態を保持するための保持手段とを備えたものである。上記の継断手段、切替手段および保持手段は、それぞれ、互いに対向配置された一組の可動子および固定子を有する。切替手段の可動子は、第１弾性部を介して前記継断手段の可動子と接続され、保持手段の可動子は、第２弾性部を介して切替手段の可動子と接続されている。継断手段の可動子および固定子の少なくとも一方は、対向面に擬似球状の接触点を有する。

本発明の半導体デバイス、モジュールおよび電子機器は、上記の可動素子を内蔵したものである。

本発明の可動素子、半導体デバイス、モジュールおよび電子機器では、継断手段のうち、継断手段を継断する際に接触することとなる部位に擬似球状の接触点が形成されている。このため、接触面積が小さく、密着性が低いので、接触部分同士が容易に分離される。また、接触部分が擬似球状であることにより、いつも同じ接触面積および接触圧で継断が行われる。

本発明の可動素子、半導体デバイス、モジュールおよび電子機器によれば、継断手段のうち、継断手段を継断する際に接触することとなる部位に擬似球状の接触点を形成するようにしたので、信号伝達特性を変化させることなく、接触部分同士を容易に分離することができ、スティクションの発生を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係るスイッチング素子（可動素子）の構成要素を機能ブロックごとに表し、図２は、このスイッチング素子の断面構成の一例を表すものであり、図３および図４は、このスイッチング素子の平面構成の一例を表すものである。なお、図２は、図３のＡ−Ａ矢視方向、または図４のＢ−Ｂ矢視方向の断面構成を表すものである。または図４のこのスイッチング素子は、一の素子（図示せず）から他の素子（図示せず）へ信号を伝送する伝送路中に実装される微小構造物（いわゆるマイクロマシン）であり、好適には他の素子と同一のパッケージ内に形成されるものであり、より好適にはＳｉＰ(System in Package) で同梱実装されたり、ＳｏＣの一部として混載されるものである。このスイッチング素子は、半導体基板１上にスイッチング構造体１０を備えている。

半導体基板１は、主にスイッチング素子を構成する要素を支持するものであり、例えば、シリコン（Ｓｉ）、シリコン・カーバイト（ＳｉＣ）、シリコン・ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）およびシリコン・ゲルマニウム・カーボン（ＳｉＧｅＣ）などのＳｉ系基板や、ガラス、樹脂およびプラスチックなどの非Ｓｉ系基板により構成されている。この半導体基板１の表面には、絶縁層２が設けられている。この絶縁層２は、コンデンサ構造体１０を基板１０から電気的に分離するものであり、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）または窒化ケイ素（ＳｉＮ）などの絶縁性材料により構成されている。

スイッチング構造体１０は、表面マイクロマシンニング技術を使用して形成された複数の微小構造物が配列されることにより構成された集合構造体である。このスイッチング構造体１０は、信号線路１１、継断部１２（継断手段）、切替部１３（切替手段）、弾性部１５、支持部１６および素子駆動部１７（図１参照）を備えている。信号線路１１は、図２のＹ軸方向に延在すると共に、継断部１２に接続されている。継断部１２、切替部１３および支持部１６は、それぞれ弾性部１５を介して接続されると共に、Ｘ軸方向に配列されている。ここで、切替部１３は継断部１２を介する２つの位置に、支持部１６は継断部１２および切替部１３を介する２つの位置にそれぞれ配置されている。

継断部１２は所定の空間Ｇを構成する一組の固定子１２Ａおよび可動子１２Ｂを、切替部１３は所定の空間Ｇを構成する一組の固定子１３Ａおよび可動子１３Ｂをそれぞれ有している。このように、スイッチング構造体１０は、Ｘ軸方向に両持梁型の断面構造を有している。

継断部１２の固定子１２Ａは、例えば、導電性材料または誘電体材料からなる平板により構成されている。また、継断部１２の可動子１２Ｂは、例えば、導電性材料または誘電体材料により構成され、導電板１２Ｂ−１のうち固定子１２Ａと対向する面（対向面）上に複数の擬似球状の接触点１２Ｂ−２が設けられた構造を有している。

切替部１３の固定子１３Ａおよび可動子１３Ｂは、図５（Ａ）〜（Ｃ）に例示したように、絶縁性材料からなる平板１３Ａ−１，１３Ｂ−１と導電性材料からなる薄膜コイル１３Ａ−２，１３Ｂ−２とを含んでそれぞれ構成されている。

ここで、上記した導電性材料は、ＳｉＰで同梱実装される場合は、例えば金（Ａｕ）またはＡｕを母材とした合金であることが好ましいが、ルテニウム（Ｒｕ），ロジウム（Ｒｈ），プラチナ（Ｐｔ）などの貴金属，またはこれらの酸化物を母材とした合金などのように、粘着性が低く、かつ硬度が高い材料であることがより好ましい。副成分としては、パラジウム（Ｐｄ），炭素（Ｃ），銀（Ａｇ），ルテニウム（Ｒｕ），インジウム（Ｉｎ）などが好ましい。一方、ＳｏＣの一部として混載する場合は、例えばアルミニウム（Ａｌ）または同（Ｃｕ）であることが好ましく、可動素子を形成する層によっては、Ｗｓｉ、ＴｉＳｉ、ＣｏＳｉ、ＮｉＳｉなどのシリサイドであることが好ましい。なお、固定子１２Ａ，１３Ａおよび可動子１２Ｂ，１３Ｂをシリサイドにより形成する場合は、ＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor) と同様、自己整合的にシリサイド化するサイサイド技術を用いることが好ましい。

このように、導電性材料として粘着性が低く、かつ硬度が高い材料を用いた場合には、接触力に対する接触面積の変化を小さくすることができるので、継断部１２の接触部分を容易に分離させることができるだけでなく、接触安定性を向上させることができる。なお、継断部１２の固定子１２Ａおよび可動子１２Ｂのそれぞれの組成は、互いに相違することが好ましい。同一の場合と比べて、粘着性がより低くなり、その結果、接触部の離着の安定性をより向上させることができるからである。

また、この複数の接触点１２Ｂ−２は、後述の製造方法を用いて形成されているので、接触点１２Ｂ−２のそれぞれの形状および大きさは互いに等しい。このため、それぞれの接触点１２Ｂ−２の固定子１２Ａに対する接触面積の大きさが等しくなるので、接触点１２Ｂ−２の数に応じて接触抵抗の値を調節することができる。また、この複数の接触点１２Ｂ−２の配置を任意に調節することもできるので、スイッチング構造体１０の設計の柔軟性を向上させることもできる。

また、継断部１２および切替部１３の可動子１２Ｂ，１３Ｂならびに支持部１６は、弾性部１５を介して接続されている。一方、継断部１２および切替部１３の固定子１２Ａ，１３Ａは、絶縁層２上のＸ軸方向に所定の間隔を隔てて配置されている。このように、切替部１３の可動子１３Ｂは、継断部１２の可動子１２Ｂに接続されていることから、可動子１３Ｂを駆動させると、可動子１２Ｂも変位して継断部１２の間隙が狭められようになっている。

ここで、オフ状態（切替部１３に対して電力が印加されていない状態）における、継断部１２の固定子１２Ａと可動子１２Ｂとの間隙の大きさをｇ１、切替部１３の固定子１３Ａと可動子１３Ｂとの間隙の大きさをｇ２、継断部１２の固定子１２Ａの厚さをｔ１、切替部１３の固定子１３Ａの厚さをｔ２とすると、以下の式（１）または式（２）を満たすことが好ましく、式（１）および式（２）を同時に満たすことがより好ましい。

ｇ１＜ｇ２…（１）
ｔ１＞ｔ２…（２）

この切替部１３は、上記のような構成により、薄膜コイルにより構成された固定子１３Ａから発生する磁界と、導電性の可動子１３Ｂに流れる電流とにより可動子１３Ｂに誘起される電磁力を利用して可動子１３Ｂを駆動させる電磁アクチュエータとしての機能を有する。ここで、電磁アクチュエータは、電磁駆動であり、低電圧で可動子１３Ｂを大きくストロークさせることができるので、切替部１３の間隙ｇ２が仮に広い（例えば１μｍ程度）場合であっても可動子１３Ｂを固定子１３Ａの表面まで吸引することができる。

信号線路１１は、継断部１２の固定子１２Ａと直接接続されており、導電性材料により構成されている。この信号線路１１は、図１に示したように、継断部１２がオフ状態（切替部１３および保持回路１４に対して電力が印加されていない状態）の場合には、可動子１２Ｂと電気的に絶縁されている。一方、継断部１２がオン状態（切替部１３および保持回路１４に対して電力が印加されている状態）の場合には、固定子１２Ａを介して可動子１２Ｂと電気的に導通している。

すなわち、継断部１２は、信号線路１１を機械的に継断することができるようになっている。ここで、「機械的に継断する」とは、機械的なスイッチがオン／オフ動作することを意味している。ここで、オン動作は、切替部１３および保持回路１４に対して電力を印加することにより、継断部１２の固定子１２Ａおよび可動子１２Ｂを接触させる動作を意味している。オフ動作は、切替部１３および保持回路１４に対して電力の供給を停止することにより、継断部１２の固定子１２Ａおよび可動子１２Ｂの接触を分離させる動作を意味している。また、機械的なスイッチの接点の方式としては、例えばシリーズ方式（図６Ａ））やシャント方式（図６（Ｂ））が挙げられるが、本実施の形態では何れの方式であってもよい。なお、図６（Ａ）は、シリーズ方式における、オン状態（一の素子からの信号が継断部１２を介して他の素子へ伝送されている状態）の断面構成を、図６（Ｂ）は、シャント方式における、オン状態（一の素子からの信号が継断部１２を介して他の素子へ伝送されていない状態）の断面構成を表したものである。

弾性部１５は、例えば単結晶シリコンまたはポリシリコンにより構成されている。この弾性部１５は、例えば、図７に示したように、平面上を蛇行した形状を有するミアンダ(meander) ばねであり、このミアンダばねには、蛇行路の折り返し付近に突起が設けられている。この突起はバネの縮む方向に突き出ているため、バネが縮む際に隣接する蛇行路と接触し、バネが縮むのを阻害するようになっている。そのため、このミアンダばねは、伸びるときのばね定数が縮むときのばね定数より小さくなるようになっている。これにより、切替部１３の応答速度を向上させることができる。このミアンダバネのバネ定数は、継断部１２、切替部１３および支持部１６に挟まれたそれぞれの部位での役割に応じて調節されていることが望ましい。例えば、切替部１３と支持部１６との間に配置されたミアンダバネのバネ定数は、他のミアンダバネのそれよりも小さくなるように調節されていることが望ましい。切替部１３の可動子１３Ｂを固定子１３Ａの表面まで確実にストロークさせる必要があるからである。

支持部１６は、例えば単結晶シリコンまたはポリシリコンにより構成されており、絶縁層１６Ａと絶縁層１６Ｂとをこの順に積層した構造を有している。この支持部１６は、継断部１２、切替部１３および保持回路１４の可動子１２Ｂ，１３Ｂ，１４Ｂからなる梁をその両端で支持するようになっている。

素子駆動部１７は、切替部１３に対してオン動作またはオフ動作をさせるためのものである。

このような構成を有するスイッチング素子は、例えば次のようにして製造することができる。図８（Ａ）〜（Ｂ）ないし図１０（Ａ）〜（Ｂ）は、スイッチング素子の製造工程を説明するためのものである。

スイッチング素子を製造する際には、まず、図８（Ａ）に示したように、Ｓｉからなる半導体基板１上に、例えば減圧ＣＶＤ（Chemical Vapor Depositon）法を使用して、ＳｉＮなどの絶縁性材料を成膜することにより絶縁層２を形成する。続いて、例えば減圧ＣＶＤ法を使用して、例えば上記合金を成膜したのち、フォトリソグラフィ処理およびドライエッチング処理を使用して、絶縁層２上に固定子１２Ａおよび固定子１３Ａをそれぞれ形成する。なお、以下では、上記したフォトリソグラフィ処理およびドライエッチング処理を使用したパターニング処理を、単に「パターニング」と称する。

次に、図８（Ｂ）に示したように、例えば減圧ＣＶＤ法を使用して、後工程において空間Ｇが形成されることとなる領域を埋め込むように、例えばＳｉＯ₂を成膜することにより犠牲層Ｔ１を形成する。続いて、パターニングにより、絶縁層１６Ａを形成することとなる領域に孔を形成したのち、例えば減圧ＣＶＤ法を使用して、その孔に例えばポリシリコンなどの絶縁性材料を埋め込むことにより絶縁層１６Ａを形成する。その後、例えば、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing:化学的機械的研磨）により、犠牲層Ｔ１および絶縁層１６Ａの表面全体を平坦化する。

次に、接触点１２Ｂ−２の形成方法について説明する。なお、図９（Ａ）〜（Ｄ）は、図８（Ｂ）の一部、具体的には、犠牲層Ｔ２の表面のうち継断部１２の固定子１２Ａと対向する領域を拡大したものである。

まず、犠牲層Ｔ１および絶縁層１６Ａの表面全体に、例えばスピンコート法を用いてフォトレジストを成膜したり、例えば減圧ＣＶＤ法を用いてＳｉＮを成膜することにより犠牲層Ｔ２を形成したのち、パターニングにより、犠牲層Ｔ１の表面のうち固定子１２Ａと対向する領域内に複数の開口部を形成する。続いて、図９（Ｂ）に示したように、等方性エッチングにより、上記開口部を介して犠牲層Ｔ１に擬似球状の孔を形成する。次に、図９（Ｃ）に示したように、犠牲層Ｔ１の浸食の少ない方法で犠牲層Ｔ２を除去する。例えば、犠牲層Ｔ１がＳｉＯ₂、犠牲層Ｔ２がフォトレジストの場合には、例えば、希フッ化水素（ＤＨＦ；Diluted Hydrogen Fluorede ）溶液などの溶解液を極力使用せず、主として酸素アッシングにより犠牲層Ｔ２を除去するのが好ましい。次に、例えば減圧ＣＶＤ法を使用して、犠牲層Ｔ１および絶縁層１６Ａの表面に導電性材料を成膜することにより前躯体１２Ｄを形成する。その後、例えばＣＭＰにより前躯体１２Ｄが擬似球状の孔内にのみ残るように表面全体を平坦化する。これにより、図９（Ｄ）に示したように、接触点１２Ｂ−２が形成される。

ここで、この接触点１２Ｂ−２の形状および大きさは、上記等方性エッチングに用いられるガスの組成やエッチングレート、犠牲層Ｔ１に形成される開口部の内径および深さなどにより変化する。そこで、本実施の形態では、上記の条件を所定の値に設定することにより、犠牲層Ｔ２の表面に形成される全ての接触点１２Ｂ−２の形状および大きさを等しくすることができる。

次に、図１０（Ａ）に示したように、例えば減圧ＣＶＤ法を使用して、犠牲層Ｔ１を覆うように、例えば上記合金を成膜したのち、パターニングすることにより、犠牲層Ｔ１の表面のうち固定子１２Ａと対向する領域に可動子１２Ｂを、固定子１３Ａと対向する領域に可動子１３Ｂをそれぞれ形成する。

次に、図１０（Ｂ）に示したように、例えば減圧ＣＶＤ法を使用して、犠牲層Ｔ１を覆うように、例えば単結晶シリコンおよびポリシリコンなどの優れた機械的特性を有する材料を成膜することにより、前躯体１６Ｄを形成する。さらに、例えば減圧ＣＶＤ法を使用して、半導体基板１上の表面全体を覆うように、例えばＬＰ−ＴＥＯＳを成膜したのち、パターニングすることにより、後工程において弾性部１５が形成されることとなる領域と対向する領域に開口部を有する犠牲層Ｔ３を形成する。

次に、図１０（Ｃ）に示したように、可動子１２Ｂ、可動子１３Ｂおよび支持部１６が互いに接続されることとなるようにパターニングすることにより、例えばミアンダバネからなる弾性部１５を複数形成する。

続いて、例えばＤＨＦを使用して、犠牲層Ｔ１および犠牲層Ｔ３を溶解させることにより、その犠牲層Ｔ１および犠牲層Ｔ３を選択的に除去する。これにより、図１０（Ｃ）に示したように、犠牲層Ｔ１が設けられていた箇所に、空間Ｇが構成されるので、間隙ｇ１を介して固定子１２Ａと可動子１２Ｂとが、間隙ｇ２を介して固定子１３Ａと可動子１３Ｂとが、互いに対向配置される。このようにして、スイッチング素子が形成される。

次に、図２および図１１を参照して、本実施の形態のスイッチング素子の作用について説明する。図２はオフ状態の様子を、図１１はオン状態の様子をそれぞれ表したものである。

本実施の形態のスイッチング素子は、オン状態およびオフ状態のツーステートを有しており、素子駆動部１７から切替部１３に対してオン動作の指令が送られると、切替部１３は、オフ状態からオン状態へ、逆に、オフ動作の指令が送られると、切替部１３は、オン状態からオフ状態へそれぞれ移行する。また、素子駆動部１７から切替部１３に対して状態の変更を求める何らかの指令が送られて来ない限り、切替部１３は、オン状態およびオフ状態のいずれか一方の状態を維持する。

オン動作について具体的に説明すると、まず、素子駆動部１７は、切替部１３に対して電力供給を開始する。すると、可動子１３Ｂに電磁力が発生し、その電磁力が吸引力となって可動子１３Ｂが弾性部１５に抗して固定子１３Ａ側に変位し始める。このとき、継断部１２の間隙は、初期状態の間隙ｇ１から可動子１３Ｂの変位分を除いた大きさとなっている。その後、図１１に示したように、可動子１２Ｂが固定子１２Ａと、可動子１３Ｂが固定子１３Ａとそれぞれ接触する。

このとき、固定子１３Ａの厚さｔ２が固定子１２Ａの厚さｔ１より薄くなっている場合には、継断部１２の間隙ｇ１は、切替部１３の間隙ｇ２より小さい。このため、可動子１３Ｂが固定子１３Ａと接触するときには、可動子１２Ｂが固定子１２Ａとすでに接触していることになる。また、可動子１２Ｂが固定子１２Ａと接触することにより、可動子１３Ｂに発生した静電力の一部が弾性部１５を介して可動子１２Ｂにも加えられるようになる。これにより、可動子１２Ｂは自重の他に、可動子１３Ｂから加えられた力で、固定子１２Ａが押圧されることとなる。このような一連の動作によりオン動作が完了し、オン状態となる。

一方、オフ動作では、素子駆動部１７は、オン状態において切替部１３に供給されていた電力の供給を停止する。すると、弾性部１５縮む力によって可動子１２Ｂが固定子１２Ａから分離され、初期状態に戻る。このようにしてオフ状態となる。

ところで、仮に可動子１２Ｂに接触点１２Ｂ−２を設けずに、可動子１２Ｂおよび固定子１２Ａの接触部分を平面状とした場合には、これらの密着性が高まるため、これらを容易に分離させることができなくなり、その結果、上記したオン・オフ動作を行うことができなくなってしまう虞がある。しかしながら、本実施の形態の可動子１２Ｂは、固定子１２Ａとの接触部分に擬似球状の接触点１２Ｂ−２を備えており、固定子１２Ａと可動子１２Ｂとの接触面積を小さくして密着性を低下させている。これにより、可動子１２Ｂが自重の他に、可動子１３Ｂから加えられた力で、固定子１２Ａを押圧するようにした場合であっても、これらを容易に分離させることができ、スティクションの発生を抑制することができる。その結果、上記したオン・オフ動作を滑らかに行うことができる。

なお、固定子１２Ａと可動子１２Ｂの接触部分である接触点１２Ｂ−２は、上記したように、擬似球状となっていることから、上記したオン・オフ動作を繰り返したとしても、接触部分を針のような鋭利な形状とした場合と比べて、接触面積が変化する虞はなく、これにより、接触圧が変化する虞もない。その結果、いつも同じ接触面積および接触圧で固定子１２Ａと接することができ、信号伝達特性の安定性を向上させることができる。

これより、本実施の形態のスイッチング素子によれば、継断部１２のうち、継断部１２を継断する際に接触することとなる部位に擬似球状の接触点を形成するようにしたので、信号伝達特性を変化させることなく、接触部分同士を容易に分離をすることができ、スティクションの発生を抑制することができる。

以上、上記実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。

例えば、上記実施の形態では、継断部１２に対してだけ接続点１２Ｂ−２を備えるようにしていたが、他に、継断部１２を継断する際に密着する箇所が存在する場合には、そのような箇所にも接続点を備えるようにしてもよく、具体的には、切替部１３の可動子１３Ｂの空間Ｓ側の表面にも設けるようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、電磁アクチュエータとしての機能を有する切替部１３を用いていたが、他の機能を有する切替部を用いてもよい。例えば、図１２に示したように、導電性の可動子２３Ａと固定子２３Ｂにより構成されたキャパシタの誘導電荷により生ずる静電力を利用して可動子２３Ａを駆動させる切替部２３を用いてもよい。この切替部２３は、電力を消費することなく可動子２３Ａをストロークさせたり保持したりすることが可能な静電アクチュエータとしての機能を有するものであり、このような構成の切替部２３を備えた場合であっても、上記実施の形態と同様の作用・効果を奏することができる。

また、図１３に示したように、互いに異なる熱膨張係数を有する第１膨張層３３Ｂ−１および第２膨張層３３Ｂ−２を積層させてなる可動子３３Ｂに熱エネルギーが供給されることにより生じる歪みを利用して可動子を駆動させる切替部３３を用いてもよい。この切替部３３は、低電圧で可動子３３Ｂを大きくストロークさせることが可能な熱アクチュエータとしての機能を有するものであり、このような構成の切替部３３を備えた場合であっても、上記実施の形態と同様の作用・効果を奏することができる。

また、図１４に示したように、圧電体からなる可動子４３Ｂに電圧が印加されることにより生じる歪み（圧電効果）を利用して可動子４３Ｂを駆動させる切替部４３を用いてもよい。この切替部４３は、低電圧で可動子４３Ｂを大きくストロークさせることが可能な圧電アクチュエータとしての機能を有するものであり、このような構成の切替部４３を備えた場合であっても、上記実施の形態と同様の作用・効果を奏することができる。

また、図１５、図１３および図１４に示したように、上記の電磁アクチュエータ、熱アクチュエータおよび圧電アクチュエータのうちいずれか１つと、静電アクチュエータとを直列に組み合わせた切替部を備えるようにしてもよい。ここで、先の３つは、低電圧で可動子を大きくストロークさせることが可能であり、後の１つは、電力を消費することなく可動子２３Ａをストロークさせたり保持したりすることが可能である。このことから、先の３つのいずれか１つを継断部１２の固定子１２Ａと可動子１２Ｂとの間隙ｇ１を狭めるために用い、後の１つを継断部１２の固定子１２Ａと可動子１２Ｂとが密着した状態を維持するために用いる、すなわちオン状態を保持する保持部として用いることにより、上記実施の形態と同様の作用・効果を奏することができるだけでなく、低電圧・低消費電力を同時に実現することができる。

また、本実施の形態では、一組の継断部１２および切替部１３を１つしか設けていないが、図１９に示したように、信号線路１１を並列回路とすると共に、並列回路を構成するそれぞれの回路に対して上記継断部１２を複数（図１２では２つ）設けるようにしてもよい。これにより、仮に一部の継断部１２にスティクションが発生したとしても、スティクションが発生した継断部１２と直列に繋がれた継断部１２を分離しておけば、スティクションが発生していない回路を介して信号を伝送することが可能であり、スイッチング素子の安定性を向上させることができる。

［適用例］
次に、図２０を参照して、本発明のスイッチング素子を搭載した通信装置の構成について説明する。図２０は、電子機器としての通信装置のブロック構成を表している。なお、本発明のスイッチング素子を搭載した半導体デバイスおよびモジュールは、上記通信装置により具現化されるので、以下、合わせて説明する。

図２０に示した通信装置は、上記各実施の形態において説明したスイッチング素子を送受信切替器３０１（半導体デバイス）として搭載したものであり、例えば、携帯電話器、情報携帯端末（ＰＤＡ）、無線ＬＡＮ機器などである。なお、上記送受信切替器３０１は、ＳｏＣからなる半導体デバイス内に形成されている。この通信装置は、例えば、図２０に示したように、送信系回路３００Ａ（モジュール）と、受信系回路３００Ｂ（モジュール）と、送受信経路を切り替える送受信切換器３０１と、高周波フィルタ３０２と、送受信用のアンテナ３０３とを備えている。

送信系回路３００Ａは、Ｉチャンネルの送信データおよびＱチャンネルの送信データに対応した２つのデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ；Digital/Analogue Converter）３１１Ｉ，３１１Ｑおよび２つのバンドパスフィルタ３１２Ｉ，３１２Ｑと、変調器３２０および送信用ＰＬＬ（Phase-Locked Loop ）回路３１３と、電力増幅器３１４とを備えている。この変調器３２０は、上記した２つのバンドパスフィルタ３１２Ｉ，３１２Ｑに対応した２つのバッファアンプ３２１Ｉ，３２１Ｑおよび２つのミキサ３２２Ｉ，３２２Ｑと、移相器３２３と、加算器３２４と、バッファアンプ３２５とを含んで構成されている。

受信系回路３００Ｂは、高周波部３３０、バンドパスフィルタ３４１およびチャンネル選択用ＰＬＬ回路３４２と、中間周波回路３５０およびバンドパスフィルタ３４３と、復調器３６０および中間周波用ＰＬＬ回路３４４と、Ｉチャンネルの受信データおよびＱチャンネルの受信データに対応した２つのバンドパスフィルタ３４５Ｉ，３４５Ｑおよび２つのアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ；Analogue/Digital Converter）３４６Ｉ，３４６Ｑとを備えている。高周波部３３０は、低ノイズアンプ３３１と、バッファアンプ３３２，３３４と、ミキサ３３３とを含んで構成されており、中間周波回路３５０は、バッファアンプ３５１，３５３と、自動ゲイン調整（ＡＧＣ；Auto Gain Controller）回路３５２とを含んで構成されている。復調器３６０は、バッファアンプ３６１と、上記した２つのバンドパスフィルタ３４５Ｉ，３４５Ｑに対応した２つのミキサ３６２Ｉ，３６２Ｑおよび２つのバッファアンプ３６３Ｉ，３６３Ｑと、移相器３６４とを含んで構成されている。

この通信装置では、送信系回路３００ＡにＩチャンネルの送信データおよびＱチャンネルの送信データが入力されると、それぞれの送信データを以下の手順で処理する。すなわち、まず、ＤＡＣ３１１Ｉ、３１１Ｑにおいてアナログ信号に変換し、引き続きバンドパスフィルタ３１２Ｉ，３１２Ｑにおいて送信信号の帯域以外の信号成分を除去したのち、変調器３２０に供給する。続いて、変調器３２０において、バッファアンプ３２１Ｉ，３２１Ｑを介してミキサ３２２Ｉ，３２２Ｑに供給し、引き続き送信用ＰＬＬ回路３１３から供給される送信周波数に対応した周波数信号を混合して変調したのち、両混合信号を加算器３２４において加算することにより１系統の送信信号とする。この際、ミキサ３２２Ｉに供給する周波数信号に関しては、移相器３２３において信号移相を９０°シフトさせることにより、Ｉチャンネルの信号とＱチャンネルの信号とが互いに直交変調されるようにする。最後に、バッファアンプ３２５を介して電力増幅器３１４に供給することにより、所定の送信電力となるように増幅する。この電力増幅器３１４において増幅された信号は、送受信切換器３０１および高周波フィルタ３０２を介してアンテナ３０３に供給されることにより、そのアンテナ３０３を介して無線送信される。この高周波フィルタ３０２は、通信装置において送信または受信する信号のうちの周波数帯域以外の信号成分を除去するバンドパスフィルタとして機能する。

一方、アンテナ３０３から高周波フィルタ３０２および送受信切換器３０１を介して受信系回路３００Ｂに信号が受信されると、その信号を以下の手順で処理する。すなわち、まず、高周波部３３０において、受信信号を低ノイズアンプ３３１で増幅し、引き続きバンドパスフィルタ３４１で受信周波数帯域以外の信号成分を除去したのち、バッファアンプ３３２を介してミキサ３３３に供給する。続いて、チャンネル選択用ＰＰＬ回路３４２から供給される周波数信号を混合し、所定の送信チャンネルの信号を中間周波信号とすることにより、バッファアンプ３３４を介して中間周波回路３５０に供給する。続いて、中間周波回路３５０において、バッファアンプ３５１を介してバンドパスフィルタ３４３に供給することにより中間周波信号の帯域以外の信号成分を除去し、引き続きＡＧＣ回路３５２でほぼ一定のゲイン信号としたのち、バッファアンプ３５３を介して復調器３６０に供給する。続いて、復調器３６０において、バッファアンプ３６１を介してミキサ３６２Ｉ，３６２Ｑに供給したのち、中間周波用ＰＰＬ回路３４４から供給される周波数信号を混合し、Ｉチャンネルの信号成分とＱチャンネルの信号成分とを復調する。この際、ミキサ３６２Ｉに供給する周波数信号に関しては、移相器３６４において信号移相を９０°シフトさせることにより、互いに直交変調されたＩチャンネルの信号成分とＱチャンネルの信号成分とを復調する。最後に、Ｉチャンネルの信号およびＱチャンネルの信号をそれぞれバンドパスフィルタ３４５Ｉ，３４５Ｑに供給することによりＩチャンネルの信号およびＱチャンネルの信号以外の信号成分を除去したのち、ＡＤＣ３４６Ｉ，３４６Ｑに供給してデジタルデータとする。これにより、Ｉチャンネルの受信データおよびＱチャンネルの受信データが得られる。

この通信装置は、上記各実施の形態において説明したスイッチング素子を受信切替器３０１として搭載しているため、上記各実施の形態において説明した作用により、優れた高周波特性を有する。

また、上記実施の形態と同様、低電圧・低消費電力系の素子と一体的に形成することが可能な程度の低電圧・低消費電力で可動素子を駆動させることが可能である。その結果、低電圧動作・低消費電力化が常識となっている移動通信端末装置の技術分野においても実用に耐えることができる。

なお、図２０に示した通信装置では、上記各実施の形態において説明したスイッチング素子を受信切替器３０１（半導体デバイス）に適用する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えば、スイッチング素子を送信系回路３００Ａおよび受信系回路３００Ｂ（モジュール）内のミキサ３３２Ｉ，３３２Ｑ，３３３，３６２Ｉ，３６２Ｑや、バンドパスフィルタ３１２Ｉ，３１２Ｑ，３４１，３４３，３４６Ｉ，３４６Ｑ、または、高周波フィルタ３０２（半導体デバイス）に適用してもよい。この場合においても、上記と同様の効果を得ることができる

以上、いくつかの実施の形態を挙げて本発明のスイッチング素子について説明したが、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の可動素子の構成やその製造方法に関する手順などは、上記実施の形態と同様の効果を得ることが可能な限りにおいて自由に変形可能である。

また、上記各実施の形態では、本発明の可動素子を携帯電話機などの通信装置に代表される電子機器に適用する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、通信装置以外の電子機器に適用することも可能である。これらのいずれの場合においても、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。

本発明の第１の実施の形態に係るスイッチング素子の機能ブロック図である。図１のスイッチング素子の断面構成図である。図１のスイッチング素子の平面構成の一例を表す平面構成図である。図１のスイッチング素子の平面構成の他の例を表す平面構成図である。図２の継断部の変形例を説明するための断面構成図である。継断部を例示して説明するための断面構成図である。弾性部を例示して説明するための平面図である。図１のスイッチング素子の製造工程を説明するための断面構成図である。図８に続く行程を説明するための断面構成図である。図９に続く行程を説明するための断面構成図である。図２のスイッチング素子の動作を説明するための断面構成図である。変形例に係るスイッチング素子の断面構成図である。他の変形例に係るスイッチング素子の断面構成図である。他の変形例に係るスイッチング素子の断面構成図である。他の変形例に係るスイッチング素子の機能ブロック図である。他の変形例に係るスイッチング素子の断面構成図である。他の変形例に係るスイッチング素子の断面構成図である。他の変形例に係るスイッチング素子の断面構成図である。他の変形例に係るスイッチング素子の断面構成図である。スイッチング素子の適用例に係る電子機器の機能ブロック図である。

符号の説明

１…半導体基板、２，１６Ａ，１６Ｂ…絶縁層、１０…スイッチング構造体、１１…信号線路、１２…継断部、１２Ａ，１３Ａ，２３Ａ…固定子、１２Ｂ，１３Ｂ，２３Ｂ，３３Ｂ，４３Ｂ…可動子、１２Ｂ−１…導電板、１２Ｂ−２…接続点、１３，２３，３３，４３…切替部、１５…弾性部、１６，２６…支持部、１６Ｄ…前躯体、１７…素子駆動部、３３Ｂ−１…第１膨張層，３３Ｂ−２…第２膨張層、ｇ１，ｇ２，ｇ３…間隙、ｔ１，ｔ２…固定子の厚さ、Ｇ…空間、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３…犠牲層

Claims

半導体基板上に、
信号を伝送するための信号線路と、
前記信号線路を機械的に継断するための継断手段と、
前記継断手段を切り替えると共に、前記継断手段の切り替え後の状態を保持するための切替手段と、
前記継断手段の切り替え後の状態を保持するための保持手段と
を備え、
前記継断手段、切替手段および保持手段は、それぞれ、互いに対向配置された一組の可動子および固定子を有し、
前記切替手段の可動子は、第１弾性部を介して前記継断手段の可動子と接続され、
前記保持手段の可動子は、第２弾性部を介して切替手段の可動子と接続され、
前記継断手段の可動子および固定子の少なくとも一方は、対向面に擬似球状の接触点を有する
可動素子。
前記切替手段の可動子および固定子の少なくとも一方は、対向面に擬似球状の接触点を有する
請求項１に記載の可動素子。
前記継断手段の固定子と前記継断手段の可動子との間隙の大きさをｇ１、前記切替手段の固定子と前記切替手段の可動子との間隙の大きさをｇ２とすると、以下の式を満たす
請求項１または請求項２に記載の可動素子。
ｇ１＜ｇ２…（１）
前記継断手段の固定子の厚さをｔ１、前記切替手段の固定子の厚さをｔ２とすると、以下の式を満たす
請求項１または請求項２に記載の可動素子。
ｔ１＞ｔ２…（２）
前記継断手段の固定子と前記継断手段の可動子との間隙の大きさをｇ１、前記切替手段の固定子と前記切替手段の可動子との間隙の大きさをｇ２、前記継断手段の固定子の厚さをｔ１、前記切替手段の固定子の厚さをｔ２とすると、以下の式をそれぞれ満たす
請求項１または請求項２に記載の可動素子。
ｇ１＜ｇ２…（１）
ｔ１＞ｔ２…（２）
前記切替手段の固定子および可動子は薄膜コイルと絶縁性材料からなる平板とを含んでそれぞれ構成され、
前記継断手段の固定子および可動子は導電性材料または誘電体材料を含んでそれぞれ構成される
請求項１または請求項２に記載の可動素子。
前記信号線路は、複数の回路が並列に構成された並列回路を有し、
前記並列回路を構成するそれぞれの回路は、前記継断手段および切替手段を少なくとも一組有する
請求項１または請求項２に記載の可動素子。
前記保持手段の固定子および可動子は、導電性材料を含んでそれぞれ構成される
請求項１または請求項２に記載の可動素子。
前記切替手段は、電磁アクチュエータにより構成され、
前記保持手段は、静電アクチュエータにより構成される
請求項８に記載の可動素子。
前記信号線路は、複数の回路が並列に構成された並列回路を有し、
前記並列回路を構成するそれぞれの回路は、前記継断手段、切替手段および保持手段を少なくとも一組有する
請求項１または請求項２に記載の可動素子。
第１の素子と第２の素子とに接続された可動素子を内蔵する半導体デバイスであって、
前記可動素子は、
半導体基板上に、
前記第１の素子から前記第２の素子へ信号を伝送するための信号線路と、
前記信号線路を機械的に継断するための継断手段と、
前記継断手段を切り替えると共に、前記継断手段の切り替え後の状態を保持するための切替手段と、
前記継断手段の切り替え後の状態を保持するための保持手段と
を備え、
前記継断手段、切替手段および保持手段は、それぞれ、互いに対向配置された一組の可動子および固定子を有し、
前記切替手段の可動子は、第１弾性部を介して前記継断手段の可動子と接続され、
前記保持手段の可動子は、第２弾性部を介して切替手段の可動子と接続され、
前記継断手段の可動子および固定子の少なくとも一方は、対向面に擬似球状の接触点を有する
半導体デバイス。
前記第１の素子、第２の素子、および可動素子は、一連の機能を構成する複数の素子が一体的に形成されたＳｏＣ（System on a Chip) 内に形成されている
請求項１１に記載の半導体デバイス。
半導体デバイスを内蔵するモジュールであって、
前記半導体デバイスは、
第１の素子と、
第２の素子と、
前記第１の素子と前記第２の素子とに接続された可動素子と
を備え、
前記可動素子は、
半導体基板上に、
前記第１の素子から前記第２の素子へ信号を伝送するための信号線路と、
前記信号線路を機械的に継断するための継断手段と、
前記継断手段を切り替えると共に、前記継断手段の切り替え後の状態を保持するための切替手段と、
前記継断手段の切り替え後の状態を保持するための保持手段と
を有し、
前記継断手段、切替手段および保持手段は、それぞれ、互いに対向配置された一組の可動子および固定子を有し、
前記切替手段の可動子は、第１弾性部を介して前記継断手段の可動子と接続され、
前記保持手段の可動子は、第２弾性部を介して切替手段の可動子と接続され、
前記継断手段の可動子および固定子の少なくとも一方は、対向面に擬似球状の接触点を有する
モジュール。
半導体デバイスを内蔵する電子機器であって、
前記半導体デバイスは、
第１の素子と、
第２の素子と、
前記第１の素子と前記第２の素子とに接続された可動素子と
を備え、
前記可動素子は、
半導体基板上に、
前記第１の素子から前記第２の素子へ信号を伝送するための信号線路と、
前記信号線路を機械的に継断するための継断手段と、
前記継断手段を切り替えると共に、前記継断手段の切り替え後の状態を保持するための切替手段と、
前記継断手段の切り替え後の状態を保持するための保持手段と
を有し、
前記継断手段、切替手段および保持手段は、それぞれ、互いに対向配置された一組の可動子および固定子を有し、
前記切替手段の可動子は、第１弾性部を介して前記継断手段の可動子と接続され、
前記保持手段の可動子は、第２弾性部を介して切替手段の可動子と接続され、
前記継断手段の可動子および固定子の少なくとも一方は、対向面に擬似球状の接触点を有する
電子機器。