WO2007060793A1

WO2007060793A1 - 微小電気機械素子およびこれを用いた電気機械スイッチ

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Publication number: WO2007060793A1
Application number: PCT/JP2006/320342
Authority: WO
Inventors: Yasuyuki Naito
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
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Filing date: 2006-10-11
Publication date: 2007-05-31
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Abstract

　長寿命で信頼性の高い疎水性表面構造の微小電気機械素子およびこれを用いた電気機械スイッチを提供する。　電極の最表面が、前記電極を構成する第１の材料からなる第１の領域と、少なくとも疎水性をもつ第２の材料から成る第２の領域との複合表面構造を有する。表面構造を電極材料と単分子膜との複合表面構造とすることで、単分子膜への物理的圧縮を回避する。また、単分子膜を高周波信号の伝搬経路上に形成しない構造とすることで、挿入損失の増大と電界による損傷を回避する。

Description

明細書

微小電気機械素子およびこれを用いた電気機械スィッチ

技術分野

[0001] 本発明は、微小電気機械素子およびこれを用いた電気機械スィッチにかかり、特に単分子膜を有する疎水性表面構造の機械的'電気的耐久性の向上に関する。背景技術

[0002] 無線端末などの情報通信機器の普及が進む中、通信に使用される周波数は、携帯電話等の数百 MHzから無線 LAN等の数 GHz帯へと広帯域ィ匕が加速して、る。現在は、各種通信方式に対応した端末を独立して使用している状況であるが、将来的には一つの無線端末で各種通信方式に対応した小型端末の実現が望まれている。端末の筐体内に内蔵されるスィッチなどの受動部品数の増加が予想される中、受動部品の小型化が望まれている。

[0003] その中で、 MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)技術により作製される高周波用電気機械（RF- MEMS : Radio Frequency MEMS)スィッチの研究開発が活発になつている。電気機械スィッチは、微小な可動電極を動かし機械的に信号の伝播経路を切り替えるスィッチである。その利点は、超低損失、高アイソレーションといった高周波特性が優れていることである。また、 RF-ICと親和性の良いプロセスで製造可能であるため、スィッチを RF-ICに内蔵することも可能であり、無線部の小型化に大きく貢献する技術として期待されて!、る。

[0004] 従来の電気機械スィッチとしては、特許文献 1に記載されて、るものが知られて!/、る。メンブレン（membrane)状や棒状の可動電極を両持ちや片持ちにし、それらを電極へ接触させたり離したりすることにより、信号の伝搬経路を切り替える機械スィッチである。メンブレンや可動体の駆動力源としては、静電気力を用いたものが多い。

[0005] 電気機械スィッチの高速応答'低駆動電圧化を実現する手段として、特許文献 2〖こ記載の技術により同発明者より開示されている。図 14は、高速応答 ·低電圧駆動電気機械スィッチの構成を示す斜視図である。可動電極 103の両側に櫛歯電極が設けられている。図 15 (a)は、図 14における A—A'断面図、図 15 (b)は、図 14における B— B'断面図である。可動電極 103を下方駆動させる場合は、可動電極 103と固定電極の間に電圧を印加し、静電力により駆動させる。また、可動電極 103を上方へ駆動させる場合は、可動電極 102と固定櫛歯電極間に電圧を印加し、静電力を斜め上に加える。上方への駆動において静電力の印加が可能であるため、パネ力のみで駆動する場合と比較してパネ力を小さくすることが可能であり、 ON/OFF時の高速ィ匕をは力ることが可能となる。

[0006] このように、構造体同士の機械的接触を行う MEMSデバイスにおいては、接触界面の吸着により誤作動や故障が発生する現象 (スティクシヨン）が問題となっている。スティクシヨンの発生原因としては、湿度、層間絶縁膜のチャージングなどによる接触表面間の引力相互作用が考えられている力その中でも湿度による引力が大きいことがわかっている。

[0007] 図 16は、メニスカスの構造を示す図であり、 (a)は電極表面が親水性の場合を示す断面図、（b)は電極表面が疎水性の場合を示す図である。図 16に示すように対向する電極が接触した場合に、雰囲気中に存在する液滴 (水など）が毛細管現象により接触界面に凝縮し、液架橋構造 (メニスカス）を形成する。このメニスカスが存在し得る電極間距離 d は、非特許文献 2に記載されており、液滴のケルビン半径 rを用いて

cap K

以下の（式 1)のように表わすことができる。

[0008] [数 1]

2 cos (1.08謂) cos<9

d (RH) = -2r_K cose = (if Water)

RT\n{RH) \n{RH)

[0009] Θは接触角、 γ は液体と気体界面の表面エネルギー、 Vはモル体積、 Rは気体定

la

数、 Tは温度、 RHは相対湿度である。電極間距離が d より離れるとメニスカスは形成

cap

されない。液体が水の場合、 d の大きさは室温（27°C)において RH10%で 0.5nm、 RH

cap

90%で 10nmである。

[0010] 図 16 (a)に示すように電極表面が親水性の場合、メニスカスの固体表面に対する接触角 Θ力 ¾0° より小さい値となり、メニスカス表面の湾曲構造の曲率半径 rが正の値となる。この場合、メニスカスによる電極間に働く力はラプラス圧力が支配的であり

、上記非特許文献 2から以下の（式 2)のように表わすことができる。

[0011] [数 2]

( 2 )

[0012] Δ ρは液体と気体間の圧力差、 Aはメニスカスと固体表面との接触面積である。（式 2 )より、固体表面が親水性でメニスカスの曲率半径が正の場合、ラプラス圧力は正の値となり電極間には引力が働くことになる。この力が MEMSデバイスの可動体を吸着するスティクシヨンの原因となる。メニスカスが発生させる力（キヤピラリーフォース）には、表面張力とラプラス圧力があるが、ラプラス圧力の値の方が大きく支配的である。

[0013] 一方、図 16 (b)に示すように電極表面が疎水性の場合、メニスカスの固体表面に対する接触角 Θ 'が 90° 以上の値となり、メニスカス表面の湾曲構造の曲率半径 rが負の値となる。この場合 (式 2)より、ラプラス圧力は負の値となり電極間には斥力が働くことになる。電極表面を疎水性にし、電極間に斥力が働く疎水性電極構造が実現できれば、 MEMSデバイスにおけるスティクシヨンの発生を回避することが可能となる。

[0014] 疎水性の表面は、電極表面を表面エネルギーの低い材料で形成することによって得ることができる。低表面エネルギー材料として、自己組織ィ匕単分子膜 (SAM : Self-A ssembled Monolayer)が用いられており、電極表面にデイツビング法やコーティング法などの低温で簡易な方法で形成可能である。

[0015] 図 17は、（特許文献 1)に示される従来の単分子膜形成後の電極面構造を示す図であり、（a)は全体図、（b)は 17図（a)における点線部を示す図である。図 17 (a)に示すように、固定電極 113上に単分子膜 111が形成されている。単分子膜は、分子が自己組織ィ匕により電極表面上に整列し、膜厚が単一分子の長さとなっている。単分子膜表面は表面エネルギーが低ぐ液滴 115の接触角力以上の疎水性表面となる。このような電極表面に可動電極 114が接触した場合、ラプラス圧力は斥力となって電極間を離す方向へと作用する。

単分子膜の材料としては（特許文献 1)に開示されているように、 ODS (Octadecyltri chlorosilane)などのシラン系材料が用いられる力その化学的構造は図 17 (b)に示す直鎖型の分子構造となる。このような単分子膜においては最表面となる- CH基が

3 低表面エネルギーとなる。

[0016] 特許文献 1： DE-10355038-A1

特許文献 2：特開 2004— 253365号公報

非特 S干文献 1 :J. B. Muldavin and u. M. Rebeiz, IEEE Microwave Wireless Compon. Lett., vol. 11， pp. 334-336， Aug. 2001.

非特言午文献 2 : J. N. Israelachvili, "Intermolecular and surface forces ， Academic Pre ss Limited, 1985.

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0017] しかし、従来の疎水性電極構造では、図 17 (a)に示すように固定電極 113の最表面材料が単分子膜 111のみであり、可動電極 114による圧力が直接単分子膜 111 に印加される構造となって、るため、単分子膜 111の機械的強度が劣化すると、う課題がある。図 17 (b)に示すように、単分子膜の 1つの分子に着目すると、可動電極 11 4の圧力が単分子膜 111に加わり、弾性変形の範囲で伸縮する。弾性限界を超える力が加わると、塑性変形により直鎖型の構造が破壊されることとなる。

[0018] 更に、従来の疎水性電極構造を高周波デバイスに適用する場合、電極表面全体に単分子膜が形成されているため、高周波信号の伝搬経路にも単分子膜が形成されていることになる。この場合、単分子膜による誘電体損が発生し、高周波信号の挿入損失が増大するという課題がある。また、高周波信号によって発生する電界中に単分子膜が曝されるため、単分子膜の耐電圧に相当する電界強度より大きな電界が加わると、単分子膜が電気的に損傷を受けることになる。特に、高周波電磁界中では、単分子膜は継続的に高周波の電磁界変化を受けることになり、機械的強度の劣化や疎水性の劣化が発生するという問題がある。

[0019] 本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、長寿命で信頼性の高い疎水性表面構造を持つ電気機械素子およびこれを用いた電気機械スィッチを提供することを目的とする。課題を解決するための手段

[0020] そこで本発明では、第 1の部材と、前記第 1の部材に対して接触'非接触を繰り返す第 2の部材とを含む微小電気機械素子であって、前記第 1の部材と前記第 2の部材との接触界面が、前記第 1の部材と前記第 2の部材とが直接的に当接する第 1の領域と、前記第 1の部材と前記第 2の部材との間に疎水性層が介在する第 2の領域とを含むことを特徴とする。

発明の効果

[0021] 以上説明したように、本発明によれば、単分子膜の機械的 ·電気的耐久性を維持することが可能となり、長寿命の微小電気機械素子を提供することが可能となる。また、単分子膜による誘電体損の発生と挿入損失の増大を防止することが可能となり、低損失の疎水性電極を提供することができる。また、 MEMSディバスにおけるスティクシヨンを回避可能となり、信頼性の高い電気機械スィッチが実現可能となる。

また、湿度の影響を受けない電極構造とすることが可能であり、高コストのパッケ一ジング (真空パッケージの適用など）を必要としないため、低コストパッケージングによる MEMSデバイスの低コスト化が可能である。

図面の簡単な説明

[0022] [図 1]本発明の実施の形態 1における電気機械スィッチを示す図であり、（a)は、この電気機械スィッチの構成を示す断面図、（b)は、この電気機械スィッチの構成を示す斜視図である。

[図 2]本発明の実施の形態 2における電気機械スィッチを示す図であり、（a)は、この電気機械スィッチの構成を示す断面図、（b)は、この電気機械スィッチの構成を示す上面図である。

[図 3]本発明の実施の形態 3における電気機械スィッチを示す図であり、（a)は、この電気機械スィッチの構成を示す断面図、（b)は、この電気機械スィッチの構成を示す上面図である。

[図 4]本発明の実施の形態 4における電気機械スィッチを示す図であり、（a)は、この電気機械スィッチの構成を示す上面図、（b)は、この電気機械スィッチの構成を示す上面図である。圆 5]本発明の実施の形態 5における電気機械スィッチの製造工程を段階的に説明する断面説明図である。

圆 6]本発明の実施の形態 5における電気機械スィッチの製造工程の変形例を段階的に説明する断面説明図である。

圆 7]本発明の実施の形態 6における電気機械スィッチの構成を示す上面図である。圆 8]本発明の実施の形態 6における電気機械スィッチを用いた電気機械スィッチの構成を示す断面説明図である。

圆 9]本発明の実施の形態 7における電気機械スィッチの構成を示す断面図である。圆 10]本発明の実施の形態 8における電気機械スィッチの構成を示す断面図であり、（a)は、この電気機械スィッチの構成を示す断面図、（b)は、この電気機械スィッチの構成を示す断面図、

圆 11]本発明の実施の形態 9における電気機械スィッチの構成を示す断面図であり、（a)は、この電気機械スィッチの構成を示す断面図、（b)は、この電気機械スィッチの構成を示す断面図である。

圆 12]本発明の実施の形態 10における電気機械スィッチの構成を示す断面図であり、（a)は、この電気機械スィッチの構成を示す断面図、（b)は、この電気機械スイツチの構成を示す断面図、（c)は、この電気機械スィッチの構成を示す断面図である。圆 13]本発明の実施の形態 11における電気機械スィッチの構成を示す断面図である。

[図 14]高速応答'低電圧駆動電気機械スィッチの構成を示す斜視図である。

[図 15] (a)は図 14における A— A'断面図、図 11 (b)は図 14における B— B'断面図である。

[図 16]メニスカスの構造を示す図であり、 (a)は電極表面が親水性の場合を示す断面図、（b)は電極表面が疎水性の場合を示す図である。

圆 17]従来の単分子膜形成後の電極面構造を示す図であり、（a)は全体図、（b)は 1 7図（a)における点線部を示す図である。

符号の説明

111 単分子膜 112 凸部 (電極材料）

113 固定電極

114、 103 可動電極

115 液滴

116 突起構造

発明を実施するための最良の形態

[0024] 以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

(実施の形態 1)

本実施の形態は、第 1の部材としての固定電極 113と、前記第 1の部材に対して接触'非接触を繰り返す第 2の部材としての可動電極 114とで構成された微小電気機械スィッチであって、この固定電極 113と可動電極 114との接触界面力固定電極 1 13と可動電極 114とが直接的に当接する第 1の領域 100Aと、固定電極 113と可動電極 114との間に疎水性層が介在する第 2の領域 100Bとを含むものである。ここでは固定電極 113の表面構造を電極材料 (第 1の領域 100A)と疎水性の単分子膜（第 2の領域 100B)との複合表面構造とし、それぞれの材料の高さを均一化することにより、可動電極 114による疎水性の単分子膜 111の物理的圧縮を回避することに特徴がある。

[0025] 図 1は、本発明の実施の形態 1における疎水性電極構造をもつ固定電極を用いた電気機械スィッチの要部を示す図であり、（a)は、この疎水性電極構造の電気機械スイッチの構成を示す断面図、（b)は、この疎水性電極構造の電気機械スィッチの構成を示す斜視図である。図 1 (b)に示す電気機械スィッチとしての構成をみると、固定電極 113に高周波信号の入力ポート RF INが接続されており、可動電極 114に高周波信号の出力ポート RF OUTが接続されている。この構成の場合、固定電極 113と可動電極 114が離れている場合には信号は遮断され、電極間が接触した場合には信号が通過する。固定電極 113の表面には単分子膜 111が形成されており、スティクシヨンを回避する疎水性電極となっている。しかし、従来技術とは違い疎水性単分子膜のみが最表面材料となっておらず、最適化した領域にのみ単分子膜 111が形成されている。なおここでは、シラン系化合物の単分子膜 111を用いている。 [0026] 図 1 (a)は、図 1 (b)における A— B断面を示している。固定電極 113の表面に固定電極 113と同一の電極材料で形成された凸部 112が設けられており、単分子膜 111 は凸部 112の間の凹部に形成されている。すなわち、凸部 112が可動電極 114の表面と直接的に接触する第 1の領域 100Aを構成し、凹部が単分子膜 111を介して可動電極に接触する第 2の領域 100Bを構成して、る。このように凹部に単分子膜 111 を形成した構造とすることで、可動電極 114が物理的に固定電極 113と接触した場合、可動電極 114は凸部 112と接触し、単分子膜に物理的圧縮を加えることはない。

[0027] このように、可動電極 114が物理的に固定電極 113と接触した場合、可動電極 114 はこの固定電極と同一材料で形成された凸部 112と接触し、単分子膜に物理的圧縮を加えることのない構成にすることにより、単分子膜の機械的強度の劣化を防ぐことができ、信頼性の高、疎水性電極構造を得ることが可能となる。

[0028] 機械的強度を保ちかつ疎水性による斥力の効果を得るためには、固定電極 113と可動電極 114の接触界面力固定電極 113と同一の電極材料で構成される凸部 11 2と単分子膜 111との複合表面構造とする必要がある。そのためには、凸部 112と単分子膜 111の高さが面全体にわたって均一で等しくなるようにすることが望ま、。つまり、凸部 112による電極の凸構造の高さは単分子膜 111を形成する分子鎖の長さ程度である。

[0029] なお、電気機械スィッチが抵抗結合型の場合、固定電極 113の最表面材料は金属などの導電性材料であり、容量結合型の場合、絶縁体 (誘電体)である。

このような疎水性電極構造をとることにより、可動電極 114の固定電極 113とが高速で接触'非接触を繰り返すような場合にも、機械的破損はなくかつ電気的接続も良好に維持することが可能である。

[0030] (実施の形態 2)

図 2は、本発明の実施の形態 2における疎水性電極構造をもつ電気機械スィッチを示す図であり、（a)は、この疎水性電極構造をもつ電気機械スィッチの構成を示す断面図、（b)は、この電気機械スィッチの固定電極 113の疎水性電極構造の構成を示す上面図である。以後上面図は、図 1 (b)に示す S面に平行な面に対する上面図を示すものとする。図 2 (a)は、図 1 (b)における C D断面を示している。可動電極 112 と固定電極 113の接触時には、可動電極 112が凸構造間で、破線で示すように架橋される形となる。固定電極 113上の電極材料 112による凸構造の間隔が長い場合、可動電極 112が下方に湾曲する形でたわみ、凹部に形成した単分子膜 111を圧縮する可能性がある。

[0031] この現象を避けるためには、凸部の数を増やし凸部の間隔を短くすればよい。凸部の数を増やすことにより、凸部間に張架された可動電極 114の長さが短くなるため、パネ力（復元力）が大きくなるためである。少なくとも電気機械スィッチの駆動電圧でたわまない程度のパネ力となるよう、凸部の間隔を設定すればよい。図 2では、凹部を 2等分に分割するよう電極材料による凸部 112を形成している。可動電極 114の幅方向では凸部 112と接触して、な、と仮定した場合、凸部間に架橋される可動電極 112の長さは約 1/2となるため、パネ乗数は 8倍、プルイン電圧は 2.8倍となる。例えば、可動電極 114が、長さ 500 /ζ πι、プル電圧 5V、駆動電圧 10Vとすると、接触後長さ約 250 /ζ πι、プルイン電圧 14Vとなり、駆動電圧 10Vでプルインすることは最低限避けられる。

[0032] (実施の形態 3)

次に、本発明の実施の形態 3の電気機械スィッチについて説明する。

たわみが生じな!/、ようパネ力を最適化するためには、凸部 112による単分子膜の分割形状を変えることが可能である。図 3は、本発明の実施の形態 3における疎水性電極構造の電気機械スィッチを示す図であり、（a)は、この疎水性電極構造の電気機械スィッチの構成を示す断面図、（b)は、この疎水性電極構造の固定電極 113の構成を示す上面図である。この場合は、単分子膜 111の形成される第 2の領域 100Bを長手方向に 3分割した例である。

力かる構成によれば、より長寿命で信頼性の高、電気機械スィッチを提供することが可能となる。

[0033] (実施の形態 4)

次に、本発明の実施の形態 4について説明する。

図 4は、本発明の実施の形態 3における疎水性電極構造の電気機械スィッチの変形例を示す図であり、（a)は、この疎水性電極構造の電気機械スィッチの固定電極の一構成を示す上面図、（b)は、この疎水性電極構造の固定電極表面の固定電極の他の構成を示す上面図である。この場合は、固定電極の幅方向にも 2分割した場合の例であり、（a)では長さ方向に 2分割、（b)では長さ方向に 3分割した場合を示す。このように幅方向にも 2分割することにより、可動電極 114の幅方向におけるたわみの発生を回避することが可能である。

以上のように、固定電極 113上での電極材料の凸部 112の配置は最適化可能である。しかし、スティクシヨンを回避するためには、凸部 112の占める面積はできる限り小さくする必要がある。単分子膜 111が占める面積ができる限り大きぐ低表面エネルギ一の表面が占有的である必要がある。

[0034] なお、可動電極 111のたわみの長さが、単分子膜の塑性変形が起きる圧縮の長さより短くなるよう凸部の配置を最適化することができる。すなわち、可動電極 111のたわみの上限が、単分子膜に塑性変形が起きない程度となるように、凸部の配置間隔を決定するのが望ましい。

[0035] (実施の形態 5)

次に、疎水性電極の製造方法について説明する。

図 5 (a)〜 (c)は、本発明の実施の形態における疎水性電極構造をもつ電気機械スィッチの製造工程を段階的に説明する断面説明図である。ここでは固定電極 113 の表面のみを示す。本実施の形態では、シラン系化合物を単分子膜として選択的に形成した疎水性電極構造を用いる。

[0036] 先ず、 Al、 Wなど金属材料の固定電極 113上に、電子線ビームリソグラフィーゃフォトリソグラフィーなどによりマスクパターン（図示せず)を形成し、エッチングによりマスクノターン力も露呈する凹部を形成することにより電極材料力も成る凸部 112を有する凸構造を形成する。その後、マスクパターンを除去する（図 5 (a) )。

[0037] 次いで、図 5 (b)に示すように、デイツビング法により単分子膜 111を形成する。この場合、固定電極 113の表面全面に形成される。次に、電極材料により形成された凸部 112上の単分子膜 111を、 UV照射などによりパターユングし、選択的に除去する。

[0038] 以上の工程により、図 5 (c)に示すように、電極材料力もなる凸部 112と単分子膜 1 11の複合表面を有する疎水性電極構造の形成が可能となる。 [0039] 単分子膜 111の形成は、自己組織ィ匕単分子膜形成プロセスにより行う。水にアルコキシシランィ匕合物を攪拌下に加え、最終濃度が約 2%もしくはそれ以下となるようにする。水はアルコキシシランを加水分解してシラノールを生成し、シラノールは基板上- OH基と反応し表面で縮合する。置換は約 5分。試料を調合した溶液に浸しゆっくり動かす。ディビング約 3分。その後、エタノールにより洗浄する。洗浄 3回。 Nなどで乾燥

2 後、試料をオーブンにより加熱し、単分子膜を定着させる。オーブン 110°C、 10分。自己組織ィ匕単分子膜は、シラン系化合物などが適用可能である。シラン系化合物として、 n— octadecyltriethoxysilaneなど τιゝげりれる。

[0040] こののち、凸部の単分子膜を UV照射により、選択的に除去することにより、図 5 (c) に示すように、凸部 112で囲まれた単分子膜 111をもつ固定電極 113を形成することが可能となる。

[0041] なお、図 5 (a)乃至 5 (c)に示した前記実施の形態の方法では、単分子膜としてのシラン系化合物層を形成したが、変形例として、図 6 (a)乃至 (c)に示すように、図 6 (b) の工程で、単分子膜 111の形成を単分子層ではなく多層積層して膜厚を制御することも可能である。ここでは数分子層のシラン系化合物分子膜を形成している。膜厚につ!ヽては基板温度や、ガス圧など成膜条件を調整することにより適宜調整可能である。

この例は、エッチング深さを十分に制御できず、凸部の高さを所望の値にすることができな!/、ような場合に有効である。

このように、単分子膜に限らず、数分子を積層した膜を用いる方法をとることにより、凸部 112の高さに応じて単分子膜 111の厚みを調整し、第 1の領域と第 2の領域とで高さの等 U、接触面構造をとるようにすることができる。

[0042] 単分子膜を形成する部材に、アルミニウム、金、タングステンなどの金属や、酸ィ匕ァルミ-ゥム、窒化シリコン、酸化シリコン、 Pb(Zr,Ti)〇（PZT)、（Ba,Sr)TiO (BST)、 SrTi

3 3

O (STO)、 HfO、 A1Nなどの絶縁体、シリコン、ガリウム砒素などの半導体を用い、単

3 2

分子膜に、シラン系化合物を用いることにより、部材と単分子膜を強固に結合させることが可能であり、信頼性の高い疎水性表面構造を得ることができる。

[0043] なお、本実施の形態 1における疎水性電極構造の電気機械スィッチは、固定電極 1 13、可動電極 114の構造が正方形、円形など適宜選択可能であり、長手方向を有しなヽ構造にぉヽても適用可能である。

[0044] また、電極材料による凸部 112上の単分子膜 111が、可動電極 114との接触により粘着などの悪影響がないことが保障される場合には、図 5 (b)に示した単分子膜 111 の除去工程は省略することが可能である。つまり、完成状態が図 5 (b)に示したように

、凹部および凸部の両方に単分子膜 111を形成したものとなる。

[0045] また、本実施の形態 1における疎水性電極構造を持つ電気機械スィッチは、固定電極およびまたは可動電極の材料がドーブトシリコンを含む半導体材料や、絶縁体材料である場合にも適用可能である。

[0046] また前記実施の形態では単分子膜はデイツビング法によって形成したが、コーティング法や、気相で単分子膜を形成する Vapor-SAM法 (CVD法)などを用いてもょヽことは言うまでもない。

[0047] このように、本発明の疎水性電極によれば、スティクシヨンを回避した高信頼性の疎水性電極を実現することが可能である。また、このプロセスを用いて MEMSデバイスを実現することも可能である。

[0048] (実施の形態 6)

本発明の実施の形態 6の電気機械スィッチについて説明する。

本実施の形態は、単分子膜を固定電極上の高周波信号が伝搬する部分以外に形成するものである。高周波信号が伝搬する表皮深さ以外の部分に形成することにより、高周波信号の伝搬経路に単分子膜が形成されることを防ぎ、単分子膜による誘電体損の発生と挿入損失の増大を回避するようにしたものである。また、単分子膜を高周波信号による電界中に曝すのを防ぎ、単分子膜の電気的損傷を回避するようにしたものである。

[0049] 図 7は、本発明の実施の形態 6における疎水性表面構造を持つ固定電極 113の構成を示す上面図である。図 8は、この疎水性表面構造を持つ固定電極 113が用いられるコプレナ一線路（CPW: Coplanar Waveguide)を示す電気機械スィッチの断面説明図である。このコプレナ一線路は、高周波信号が伝搬する固定電極 113 (、可動電極 114)の両側に接地導体 Gを有する信号線路は、電気機械スィッチにお!/ヽては頻繁に使用される構造である。この場合、高周波信号による電界は、固定電極 113、可動電極 114から両脇の接地導体へと発生し、高周波信号は信号線路となる固定電極 113、可動電極 114の接地導体側の表面を伝搬する。これは表皮効果と呼ばれている。具体的には、高周波信号が伝搬する部分の表面力もの深さ（表皮深さ λ )に電界が集中することになる。

[0050] 従来の固定電極 113全面に単分子膜 111を形成した構造の場合、高周波信号による電界に単分子膜 111が曝され、電気的に損傷を受ける可能性があるが、本実施の形態 6では、固定電極 113の両端力も表皮深さ λの部分は固定電極 113を最表面材料とし、それ以外の部分に単分子膜 111を形成することにより、高周波信号の伝搬経路に単分子膜が形成されず、単分子膜による誘電体損の発生と挿入損失の増大を防止することが可能となる。また、電界集中部分には、単分子膜が形成されず電極材料で構成されるため、単分子膜の劣化を防止することが可能となる。

[0051] この構成とすることにより、単分子膜 111を高周波信号による電界力保護することが可能であり、誘電体損の発生と電気的損傷を回避することができ、低挿入損失の信頼性の高い疎水性電極構造を実現することが可能である。

[0052] なお、本実施の形態 6に示す構造は、実施の形態 1乃至 5への適用が可能であり、実施の形態 1における直接接触領域すなわち第 1の領域を構成する凸部 112の幅が、固定電極 113の両端力も表皮深さ λ以上とすることが可能である。

[0053] (実施の形態 7)

次に実施の形態 7について説明する。

本実施の形態の電気機械スィッチは、固定電極上に単分子膜を表面に形成した突起構造を設け、突起構造上に位置する液滴を疎水性の部分力周囲の親水性の部分へ自発的に移動させる排水構造を提示する。電極間の接触部に液架橋が形成されないため、ラプラス圧力の発生を回避できることを特徴とするものである。

[0054] 図 9は、本発明の実施の形態 7における疎水性電極構造の電気機械スィッチの構成を示す断面図である。固定電極 113上に突起構造 116が形成されており、突起構造 116の表面に単分子膜 111が形成されて、る。可動電極 114が固定電極 113と接触した場合、最表面となる突起構造 116の先端と可動電極 114の表面が直接接触することになる。ラプラス圧力は、突起構造 116上の液滴 115の振る舞いによって決まる。突起構造上に液滴が付着した場合、液滴は疎水性表面から固定電極材料が最表面材料となっている周囲の親水性表面へ移動する。つまり、突起構造 116上ではじかれた液滴 115は、濡れ性のよい周囲の親水性表面の部分へ移動し、接触界面となる突起構造 116上力は排水される。接触界面となる突起構造 116の先端部分において、単分子膜 111の膜質が機械的'電気的に劣化した場合、疎水性の性質が損なわれメニスカスが形成される可能性がある。このような場合、本構成では接触界面に液滴が存在しな、ため、メニスカスの形成を回避することが可能である。

[0055] 液滴 115が突起構造 116の周囲に付着した場合、固定電極 113と可動電極 114 の表面間でのメニスカス形成を回避するために、突起構造 116の高さを (式 1)に示したメニスカスが存在し得る電極間距離 d より高くする必要がある。

cap

[0056] (実施の形態 8)

次に実施の形態 8について説明する。

図 10は、本発明の実施の形態 8における疎水性電極構造を用いた電気機械スイツチの構成を示す断面図である。図 10 (a)においては、固定電極 113の表面に形成された電極材料による凸部 112間に、突起構造 116が形成されている。即ち前記実施の形態 1乃至 5で説明したように電極表面に凹部を形成することにより、電極材料による凸部 112で囲まれた凹部を形成し、この凹部に、表面を単分子膜で被覆した突起構造 116を形成したことを特徴とするものである。突起構造 116を均一の高さとし、この凸部 112と同一高さとなるように形成しており、固定電極 113と可動電極 114の接触界面が、電極材料による凸部 112と突起構造 116の複合表面となっている。単分子膜 111、突起構造 116を可動電極 113による物理的圧縮力保護することが可能であり、接触界面の排水性も備え持つ高信頼性の疎水性表面構造を実現することが可能である。

図 10 (b)に示すように、固定電極 113と可動電極 114の接触界面全面に突起構造 1 16を形成することも可能である。

[0057] (実施の形態 9)

次に実施の形態 9について説明する。図 11は、本発明の実施の形態 9における疎水性電極構造を用いた電気機械スイツチの構成を示す断面図である。図 11 (a)においては、固定電極 113の表面に形成された電極材料による凸部 112間に形成される凹部に符合する位置の可動電極 114 側に単分子層 111を形成し、電気機械スィッチの接触時には固定電極 113と可動電極 114とが実施の形態 1の場合と同様に、第 1の領域では直接接触し、一方第 2の領域では、可動電極 114に形成された単分子膜 (疎水性層） 111を介して接触した構造となっている。他は実施の形態 1と同様である。

[0058] 図 11 (a)は、図 11 (b)における A— B断面を示している。固定電極 113の表面に固定電極 113と同一の電極材料で形成された凸部 112が設けられており、単分子膜 1 11はこの固定電極 113に対向する側の可動電極 114の、凸部 112の間の凹部に相当する位置に形成されている。このようにして実施の形態 1と同様接触時には、凸部 112が可動電極 114の表面と直接的に接触する第 1の領域 100Aを構成し、凹部が単分子膜 111を介して可動電極に接触する第 2の領域 100Bを構成してヽる。このように平板状の可動電極 114の、固定電極 113の凹部に相当する領域に、単分子膜 1 11を形成した構造とすることで、可動電極 114が物理的に固定電極 113と接触した場合、可動電極 114は凸部 112と接触し、凹部に入り込むかたちとなる単分子膜 11 1に物理的圧縮をカ卩えることはな、。

[0059] このように、可動電極 114が物理的に固定電極 113と接触した場合、可動電極 114 はこの固定電極と同一材料で形成された凸部 112と接触し、単分子膜に物理的圧縮を加えることのない構成にすることにより、単分子膜の機械的強度の劣化を防ぐことができ、信頼性の高、疎水性電極構造を得ることが可能となる。

[0060] (実施の形態 10)

次に実施の形態 10について説明する。

図 12は、本発明の実施の形態 10における疎水性電極構造を用いた電気機械スィツチの構成を示す断面図である。図 12においては、固定電極 113の表面に形成された電極材料による凸部 112間に、相当する領域の、可動電極 114表面に突起構造 1 16が形成されている。すなわち実施の形態 8で示した、構造の変形例であり、固定電極 113の電極表面に凹部を形成して、電極材料による凸部 112で囲まれた凹部を形成し、この凹部に相当する、可動電極上に、表面を単分子膜で被覆した突起構造 11 6を形成したことを特徴とするものである。突起構造 116を均一の高さとし、この凸部 1 12と同等の高さとなるように形成しており、固定電極 113と可動電極 114の接触界面力電極材料による凸部 112と突起構造 116の複合表面となっている。この構成にお Vヽても単分子膜 111、突起構造 116を可動電極 113による物理的圧縮から保護することが可能であり、接触界面の排水性も備え持つ高信頼性の疎水性表面構造を実現することが可能である。

[0061] (実施の形態 11)

次に実施の形態 11につ！ヽて説明する。

図 13に示すように、本発明の実施の形態 11として突起構造 116および単分子膜 1 11を形成しない構造とすることも可能である。この場合、凸部 112の高さをメニスカスが存在し得る電極間距離 d より高くする必要がある。本構造により、凸部 112以外の

cap

占有的な接触界面にメニスカスが形成されないため、ラプラス圧力の発生を回避することができ、スティクシヨンを回避することが可能となる。またこのとき、第 1の領域 100 aを構成する固定電極の凸部 112を表皮深さえ程度とすることにより、第 1の領域 10 Oaでのみ電気的接続を行、第 2の領域 100bでは機械的接触を避け、破損を生じな V、ようにすることも可能である。

なお、本実施の形態 11の構造は前記実施の形態 1乃至 10のそれぞれの構造への適用が可能である。

[0062] また前記実施の形態では、固定電極と可動電極との接触構造について説明してきたが、微小電気機械素子における振動子と固定電極との接触構造、光スィッチなどにおける接触構造など、他のデバイスにも適用可能であることは、うまでもな、。

[0063] 以上説明してきたように、本発明では、例えば、表面構造を電極材料と疎水性をもつ単分子膜との複合表面構造とすることで、単分子膜への物理的圧縮を回避する。また、単分子膜を高周波信号の伝搬経路上に形成しない構造とすることで、単分子膜による誘電体損の発生と挿入損失の増大を防止するものである。そしてさらに、電界による損傷を回避するものである。すなわち、本発明では、電極の最表面が、前記電極のコンタクト領域としての第 1の領域と、少なくとも疎水性層が介在する第 2の領域とを有する複合表面構造であることを特徴とする。

[0064] また、上記微小電気機械素子において、前記疎水性層は、前記第 1の部材の表面に配設された突起部を覆う被覆層であるのが望ましい。

この構成によれば、表面構造の一部に疎水性領域を形成することにより、液滴を疎水性の部分力周囲の親水性の部分へ自発的に移動させる排水構造を実現することが可能であり、接触界面に液架橋が形成されないようにすることが可能となる。このため、ラプラス圧力の発生を回避できる一方で、接触により損傷を受け易い疎水性領域力効率よく浸水性領域に排水しうるようにすることができる。また疎水性領域は比抵抗が高くなるが、導電路は低抵抗の親水性領域で構成し、疎水性領域は主として排水のために用いるようにすることにより、比抵抗を高めることなぐ排水性を高めることができる。これにより、 MEMSディバスにおけるスティクシヨンを回避可能となり、高信頼性の電気機械スィッチが実現可能となる。また、湿度の影響を受けない電極構造とすることが可能であり、高コストのパッケージング (真空パッケージングなど）を必要としないため、低コストパッケージングによる MEMSデバイスの低コストィ匕が可能である。

[0065] また、上記微小電気機械素子において、前記第 2の領域は、前記第 1の部材の突起部を被覆するように形成されており、前記突起部の高さは、液架橋を形成し得る程度の長さとなるように形成されるのが望ま、。

[0066] また、上記疎水性表面構造において、前記突起構造の高さは、使用環境条件に応じて決定されるのが望まし、。

また、前記突起部の高さ dは、次式を満たす d よりも大きくなるように決定される。

cap

[数 3]

/ 、 _Λ , _r . 、）

0は接触角、 γ は液体と気体界面の表面エネルギー、 Vはモル体積、 Rは気体定

la

数、 Tは温度、 RHは相対湿度

[0067] この構成によれば、突起構造上に位置する液滴を疎水性の部分力周囲の親水性の部分へ自発的に移動させる排水構造を実現可能であり、部材間の接触部に液架橋が形成されないため、ラプラス圧力の発生を回避することができる。

[0068] また、上記微小電気機械素子において、前記突起構造のまわりは第 1の領域で囲まれるようにするのが望まし!/、。

[0069] また、上記微小電気機械素子において、前記突起構造は、前記第 1の領域に形成された凹部に所定の間隔で複数形成されるようにしてもよ!ヽ。

[0070] また、上記微小電気機械素子にお!ヽて、前記疎水性層の形成位置に対応して前記第 1の部材に凹部が形成され、前記疎水性層は、前記第 2の部材の表面に形成され、前記第 1の部材の前記凹部内で、前記第 1の部材に接するように構成されるのが望ましい。

[0071] また、上記微小電気機械素子において、前記疎水性層は、平板状の前記第 2の部材の表面に形成されるのが望ましい。

[0072] また、上記微小電気機械素子において、前記疎水性層は、前記凹部に符合して突起部を有する前記第 2の部材の、前記突出部の表面に形成されるのが望ましい。

[0073] また本発明では、上記微小電気機械素子において、前記第 1の領域と、前記第 2の領域との高さがほぼ等 U、ものが望ま、。

[0074] また本発明では、上記微小電気機械素子において、前記第 1の領域が、前記第 2 の領域よりも高、領域をもつものが望ま、。

[0075] この構成によれば、第 2の領域の接触を回避することにより機械的強度の低下を防ぐことができる。例えば、可動電極と単分子膜の物理的接触を回避することにより単分子膜の機械的強度の劣化を防ぐことができ、信頼性の高、疎水性表面構造を備えた微小電気機械素子を得ることが可能となる。

[0076] また本発明では、上記微小電気機械素子において、前記第 2の領域は、前記第 1 の領域に所定の間隔で島状に形成されたものが望ましい。

[0077] また本発明では、上記微小電気機械素子において、前記第 2の領域は、周囲を第

1の領域で囲まれた前記矩形の島領域を構成するものが望ましい。

この構成により、可動電極のたわみを軽減することが可能であり、第 2の領域の接触を回避することにより機械的強度の低下を防ぐことができる。

[0078] また本発明では、上記微小電気機械素子において、前記第 2の領域は、高周波信号の伝搬する領域を避けて配設されたものが望ま、。

[0079] また本発明では、上記微小電気機械素子において、前記第 1または第 2の部材は、両側をグランド配線に囲まれて形成されるコプレナ一構造の配線を構成するものであり、前記第 2の領域は、前記電極上の高周波信号の表皮深さに相当する幅を両側に残して形成されたものが望ま、。

この構成により、導電性に大きな影響を与えることなく電界集中を回避することができる。

[0080] また本発明では、上記微小電気機械素子において、前記疎水性層は、前記第 1の領域を構成する第 1の材料の表面に形成された単分子膜であるものが望ましい。

[0081] また本発明では、上記微小電気機械素子において、前記第 1の部材に形成された凹部の深さは前記単分子膜の 1分子層の膜厚と等しいものが望ましい。

[0082] また本発明では、上記微小電気機械素子にお!、て、前記部材は、アルミニウム、金、タングステンなどの金属や、酸化アルミニウム、窒化シリコン、酸化シリコン、 Pb(Zr,T i)0 (PZT)、（Ba,Sr)TiO (BST)、 SrTiO (STO)、 HID、 AINなどの絶縁体、シリコン、ガ

3 3 3 2

リウム砒素などの半導体で構成され、前記第 2の領域は、シラン系化合物の単分子膜で構成されたものが望まし、。

この構成により、部材と単分子膜を強固に結合させることが可能であり、信頼性の高い疎水性表面構造を得ることができる。また光集積回路あるいは半導体集積回路においてスィッチ、共振器、フィルターなどの種々の素子に適用可能であり、高集積ィ匕デバイスの構築が可能となる。

[0083] また本発明では、固定電極と、固定電極に対し、接触可能に形成された可動電極とを備えた電機機械スィッチであって、前記固定電極および可動電極の少なくとも一方が上述のような疎水性表面構造をもつ上記微小電気機械素子で構成されるようにするのが望ましい。

産業上の利用可能性

[0084] 本発明に係る疎水性表面構造を持つ電気機械スィッチでは、接触界面の少なくとも一方の表面構造を直接接触する第 1の領域と、単分子膜を介して接触する第 2の領域との複合表面構造とすることで、単分子膜への物理的圧縮を回避することが可能となる。また、単分子膜を高周波信号の伝搬経路上を避けて形成することで、高周波信号の伝搬経路に単分子膜が形成されず、単分子膜による誘電体損の発生と挿入損失の増大を防止することが可能となる。また、電界による損傷を回避するものである。本構成により、単分子膜の機械的'電気的耐久性を維持した信頼性の高い低損失の疎水性表面構造とすることが可能となる。 MEMSディバスにおけるステイクションを回避可能となり、高信頼性の電気機械スィッチが実現可能となる。

また、湿度の影響を受けない表面構造とすることが可能であり、高コストのパッケ一ジング (真空パッケージングなど）を必要としないため、低コストパッケージングによる MEMSデバイスの低コスト化が可能である。

Claims

請求の範囲

[1] 第 1の部材と、前記第 1の部材に対して接触'非接触を繰り返す第 2の部材とを含む微小電気機械素子であって、

前記第 1の部材と前記第 2の部材との接触界面が、

前記第 1の部材と前記第 2の部材とが直接的に当接する第 1の領域と、前記第 1の部材と前記第 2の部材との間に疎水性層が介在する第 2の領域とを含む微小電気機械素子。

[2] 請求項 1に記載の微小電気機械素子であって、

前記疎水性層は、前記第 1の部材の表面に配設された突起部を覆う被覆層である微小電気機械素子。

[3] 請求項 2に記載の微小電気機械素子であって、

前記疎水性層は、前記第 1の部材の突起部を被覆するように形成されており、前記突起部の高さは、液架橋を形成し得る程度の長さに形成される微小電気機械素子。

[4] 請求項 3に記載の微小電気機械素子であって、

前記突起部の高さ dは、次式を満たす d よりも大きくなるように決定される微小電 cap

気機械素子。

[数 1] d (RH) = -2r_K cosO - - — 8 _if

la

数、 Tは温度、 RHは相対湿度

[5] 請求項 2に記載の微小電気機械素子であって、

前記突起部のまわりは第 1の領域で囲まれた微小電気機械素子。

[6] 請求項 2に記載の微小電気機械素子であって、

前記突起部が、前記第 1の領域に形成された凹部に所定の間隔で複数形成された微小電気機械素子。

[7] 請求項 1に記載の微小電気機械素子であって、

前記疎水性層の形成位置に対応して前記第 1の部材に凹部が形成され前記疎水性層は、前記第 2の部材の表面に形成され、前記第 1の部材の前記凹部内で、前記第 2の部材に接するように構成された微小電気機械素子。

[8] 請求項 7に記載の微小電気機械素子であって、

前記疎水性層は、平板状の前記第 2の部材の表面に形成された微小電気機械素子。

[9] 請求項 7に記載の微小電気機械素子であって、

前記疎水性層は、前記凹部に符合して突起部を有する前記第 2の部材の、前記突出部の表面に形成された微小電気機械素子。

[10] 請求項 1に記載の微小電気機械素子であって、

前記第 1の部材は、前記第 1の領域と、前記第 2の領域との高さがほぼ等しい微小電気機械素子。

[11] 請求項 1に記載の微小電気機械素子であって、

前記第 1の部材は、前記第 1の領域が、前記第 2の領域よりも高い領域をもつ微小電気機械素子。

[12] 請求項 1に記載の微小電気機械素子であって、

前記第 2の領域は、前記第 1の領域に所定の間隔で島状に形成された微小電気機械素子。

[13] 請求項 12に記載の微小電気機械素子であって、

前記第 2の領域は、周囲を第 1の領域で囲まれた前記矩形の島領域を構成する微小電気機械素子。

[14] 請求項 1乃至 13のいずれかに記載の微小電気機械素子であって、

前記第 2の領域は、高周波信号の伝搬する領域を避けて配設された微小電気機械素子。

[15] 請求項 14に記載の微小電気機械素子であって、

前記第 1または第 2の部材は、両側をグランド配線に囲まれて形成されるコプレナ一構造の配線を構成するものであり、前記第 2の領域は、前記表面構造上の高周波信号の表皮深さに相当する幅を両側に残して形成された微小電気機械素子。

[16] 請求項 1に記載の微小電気機械素子であって、

前記疎水性層は、前記第 1の領域を構成する第 1の材料の表面に形成された単分子膜で構成された微小電気機械素子。

[17] 請求項 16に記載の微小電気機械素子であって、

前記単分子膜は、シラン系化合物で構成された微小電気機械素子。

[18] 請求項 16に記載の微小電気機械素子であって、

前記第 1の部材に形成された凹部の深さは前記単分子膜の 1分子層の膜厚と等しい微小電気機械素子。

[19] 請求項 1に記載の微小電気機械素子であって、

前記第 1および第 2の部材は、金属、または絶縁体、または半導体のいずれかを含むように構成された微小電気機械素子。

[20] 請求項 19に記載の微小電気機械素子であって、

前記金属は、アルミニウム、金、タングステンのいずれかで構成された微小電気機械素子。

[21] 請求項 19に記載の微小電気機械素子であって、

前記絶縁体は、酸ィ匕アルミニウム、窒化シリコン、酸ィ匕シリコン、 Pb(Zr,Ti)0 (PZT)

3

、 (Ba,Sr)TiO (BST)、 SrTiO (STO)、 HfO、 AINのいずれかで構成された微小電気機

3 3 2

械素子。

[22] 請求項 20に記載の微小電気機械素子であって、

前記半導体は、シリコン、ガリウム砒素のいずれかで構成された微小電気機械素子

[23] 基板表面に形成された固定電極と、

前記固定電極に対し、接触可能に形成された可動電極とを備えた電機機械スイツチであって、

前記固定電極および可動電極の相対向する領域の少なくとも一部が、請求項 1乃至 22のいずれかの微小電気機械素子で構成された電気機械スィッチ。