特許 6854769 熱変形低減用の電気機械システム基板アタッチメント

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6854769

(24)【登録日】2021年3月18日

(45)【発行日】2021年4月7日

(54)【発明の名称】熱変形低減用の電気機械システム基板アタッチメント

(51)【国際特許分類】

   H01H 59/00 20060101AFI20210329BHJP

   B81B 3/00 20060101ALI20210329BHJP

   B81C 1/00 20060101ALI20210329BHJP

   H01H 49/00 20060101ALI20210329BHJP

【ＦＩ】

   H01H59/00

   B81B3/00

   B81C1/00

   H01H49/00 Z

【請求項の数】17

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2017-544877(P2017-544877)

(86)(22)【出願日】2016年2月2日

(65)【公表番号】特表2018-512703(P2018-512703A)

(43)【公表日】2018年5月17日

(86)【国際出願番号】US2016016075

(87)【国際公開番号】WO2016140752

(87)【国際公開日】20160909

【審査請求日】2019年1月11日

(31)【優先権主張番号】14/634,981

(32)【優先日】2015年3月2日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】390041542

【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ

(74)【代理人】

【識別番号】100133503

【弁理士】

【氏名又は名称】関口 一哉

(74)【代理人】

【識別番号】100137545

【弁理士】

【氏名又は名称】荒川 聡志

(74)【代理人】

【識別番号】100105588

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 博

(74)【代理人】

【識別番号】100129779

【弁理士】

【氏名又は名称】黒川 俊久

(74)【代理人】

【識別番号】100113974

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 拓人

(72)【発明者】

【氏名】エイミ，マルコ・フランチェスコ

(72)【発明者】

【氏名】リン，イーツェン

【審査官】 関 信之

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１１９２４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０１５５２０２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１２−１３４１４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０９１０２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１４−５１７７７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１５−５０１０６９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｈ ５９／００

Ｂ８１Ｂ ３／００

Ｂ８１Ｃ １／００

Ｈ０１Ｈ ４９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板（１０８）と、
前記基板（１０８）に形成されたスイッチ構造（１００）とを備え、前記スイッチ構造（１００）は、
前記基板（１０８）に形成された導電性接点（１０２）と、
前記基板（１０８）に結合された自己補償アンカー構造（１０６）と、
第１の端部および第２の端部を備え、前記第１の端部で前記自己補償アンカー構造（１０６）と一体化され、前記自己補償アンカー構造（１０６）から直交して延び、前記第２の端部が前記導電性接点（１０２）の上に配置された片持ち部分（１０４ａ）を備えるように前記基板（１０８）上に懸架された梁（１０４）とを備え、
前記梁（１０４）の前記片持ち部分（１０４ａ）は、前記基板（１０８）に対して引き出し角を有するように前記基板（１０８）と前記スイッチ構造（１００）との間の不整合歪みが生じている間に変形を起こし、
前記自己補償アンカー構造（１０６）は、前記アンカーを湾曲させて前記片持ち部分（１０４ａ）の前記引き出し角を補償するように前記片持ち部分（１０４ａ）に直交して前記不整合歪みの一部を誘導し、
前記片持ち部分（１０４ａ）が、前記自己補償アンカー構造（１０６）における前記基板（１０８）と垂直な面から、前記基板（１０８）に対して引き出し角を有するように接続され、
前記自己補償アンカー構造（１０６）が、前記梁（１０４）を前記基板（１０８）に機械的に接続する成形アンカー接続部（１２６）を備え、
前記梁（１０４）に直交する前記成形アンカー接続部（１２６）の断面が、前記梁（１０４）構造を前記基板（１０８）に機械的に接続する前記成形アンカー接続部（１２６）の２つ以上の領域（１２８，１３０）を通過する、
マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチ（１０９）。

【請求項2】

前記成形アンカー接続部（１２６）が、Ｃ字型アンカー接続部（１２６）およびＶ字型アンカー接続部（１４６）のうちの１つとして形成される、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ（１０９）。

【請求項3】

前記梁（１０４）が、前記自己補償アンカー構造（１０６）から第１の方向に延びる第１の梁（１０４）を備え、
前記スイッチ構造（１００）が、前記自己補償アンカー構造（１０６）と一体化された第２の梁（１４０）をさらに備え、前記第２の梁（１４０）が、前記自己補償アンカー構造（１０６）から前記第１の梁（１０４）が延びる前記第１の方向とは反対の第２の方向に延びる、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ（１０９）。

【請求項4】

前記成形アンカー接続部（１２６）が、Ｉ字型アンカー接続部（１４４）およびＸ字型アンカー接続部（１４６）のうちの１つとして形成される、請求項３に記載のＭＥＭＳスイッチ（１０９）。

【請求項5】

前記自己補償アンカー構造（１０６）が、前記梁（１０４）を前記基板（１０８）に機械的に接続する２つ以上の別個のアンカー接続部（１４８，１５０）を備え、前記２つ以上の別個のアンカー接続部（１４８，１５０）が、前記片持ち部分（１０４ａ）に直交して前記不整合歪みの部分を誘導して前記アンカーを湾曲させて前記片持ち部分（１０４ａ）の前記引き出し角を補償するように自己補償アンカー構造（１０６）上にサイズ決めされ、位置決めされ、角度付けされる、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ（１０９）。

【請求項6】

前記片持ち部分に直交して誘導された前記不整合歪みが、前記片持ち部分の長さの２０％未満に及ぶ、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ（１０９）。

【請求項7】

前記片持ち部分（１０４ａ）に直交して誘導された前記不整合歪みの部分が、前記片持ち部分（１０４ａ）を非偏向または非変形位置に引き戻すように、前記基板（１０８）に垂直な歪みの勾配を発生させる、請求項２に記載のＭＥＭＳスイッチ（１０９）。

【請求項8】

前記自己補償アンカー（１０６）によって提供される前記片持ち部分（１０４ａ）に直交する前記不整合歪みの部分が、ポアソン比によって動作する、請求項２に記載のＭＥＭＳスイッチ（１０９）。

【請求項9】

前記梁（１０４）の前記片持ち部分（１０４ａ）の前記変形が、前記基板（１０８）と前記スイッチ構造（１００）との間の熱膨張係数（ＣＴＥ）から生じる熱的に誘発された変形を含む、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ（１０９）。

【請求項10】

前記梁（１０４）は、クリープ抵抗性材料で形成され、前記クリープ抵抗性材料は、Ｎｉ系および／またはＣｏ系超合金を含む超合金、Ｎｉ−Ｗ合金、Ｎｉ−Ｍｎ合金、Ｎｉおよび／またはＣｏを含有する金、Ｗ、金属間化合物、固溶体および／または第２の相強化をし易い材料、または塑性変形を抑制する結晶構造を有する材料からなる、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ（１０９）。

【請求項11】

前記スイッチ構造（１００）および前記基板（１０８）が、ウェハレベル接合パッケージを備え、前記ウェハレベル接合パッケージを形成して前記基板（１０８）と前記スイッチ構造（１００）との間に前記不整合歪みを引き起こし、前記梁（１０４）の前記片持ち部分（１０４ａ）を変形させて前記引き出し角を生じさせるアニーリングが実施される、請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチ（１０９）。

【請求項12】

マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチ（１０９）を製造する方法であって、
基板（１０８）を設けることと、
ウェハレベル接合プロセスを介して前記基板（１０８）にスイッチ構造（１００）を形成することとを含み、前記スイッチ構造（１００）を形成することは、
前記基板（１０８）に導電性接点（１０２）を形成することと、
自己補償アンカー構造（１０６）を形成することと、
前記基板（１０８）および前記導電性接点（１０２）に対して片持ち梁（１０４）を位置決めするために前記自己補償アンカー構造（１０６）に前記片持ち梁（１０４）を取り付けることであって、前記片持ち梁（１０４）は、前記自己補償アンカー構造（１０６）の反対側のその端部に片持ち部分（１０４ａ）を備える、取り付けることとをさらに含み、
前記自己補償アンカー構造（１０６）は、前記片持ち梁（１０４）の前記片持ち部分（１０４ａ）に直交して配置され、前記片持ち部分（１０４ａ）は、前記基板（１０８）から離間して前記導電性接点（１０２）の上に配置されるように延び、
前記ＭＥＭＳスイッチ（１０９）の接合を達成するために前記基板（１０８）および前記スイッチ構造（１００）にアニーリングプロセスを実行し、
前記梁（１０４）の前記片持ち部分（１０４ａ）は、前記片持ち部分（１０４ａ）が前記基板（１０８）に対して引き出し角を有するように前記基板（１０８）と前記スイッチ構造（１００）との間の不整合歪みに影響して前記アニーリングプロセス中に変形を起こし、
前記自己補償アンカー構造（１０６）は、前記アンカー構造を湾曲させて前記片持ち部分（１０４ａ）の前記引き出し角を補償するように前記片持ち部分（１０４ａ）に直交する前記不整合歪みに起因する歪みの一部を誘導し、
前記片持ち部分（１０４ａ）が、前記自己補償アンカー構造（１０６）における前記基板（１０８）と垂直な面から、前記基板（１０８）に対して引き出し角を有するように接続され、
前記自己補償アンカー構造（１０６）を形成することが、前記基板（１０８）に成形アンカー接続部（１２６）を形成することを含み、前記成形アンカー接続部（１２６）が、前記片持ち梁（１０４）の長手方向軸（１３２）を中心に対称である形状の単一の一体型の構造を備え、
前記成形アンカー接続部（１２６）が、Ｃ字型アンカー接続部およびＶ字型アンカー接続部のうちの１つを備える、
方法。

【請求項13】

前記自己補償アンカー構造（１０６）に前記片持ち梁（１０４）を取り付けることが、
第１の片持ち梁（１０４）が前記自己補償アンカー構造（１０６）から第１の方向に延びるように前記自己補償アンカー構造（１０６）に前記第１の片持ち梁（１０４）を取り付けることと、
第２の片持ち梁（１４０）が前記自己補償アンカー構造（１０６）から前記第１の方向とは反対の第２の方向に延びるように前記自己補償アンカー構造（１０６）に前記第２の片持ち梁（１４０）を取り付けることとを含み、
前記成形アンカー接続部（１２６）が、Ｉ字型アンカー接続部（１４４）およびＸ字型アンカー接続部（１４６）のうちの１つを備える、請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

前記自己補償アンカー構造（１０６）によって提供される前記片持ち部分（１０４ａ）に直交する前記歪みが、ポアソン比によって動作する、請求項１２に記載の方法。

【請求項15】

基板（１０８）と、
前記基板（１０８）に形成されたスイッチ構造（１００）とを備え、前記スイッチ構造（１００）は、
前記基板（１０８）に形成された導電性接点（１０２）と、
前記基板（１０８）に結合されたアンカー構造と、
前記アンカー構造と一体化され、そこから直交して延び、前記基板（１０８）上に懸架されて前記導電性接点（１０２）の上に配置された片持ち部分（１０４ａ）を備える梁（１０４）とを備え、
前記アンカー構造は、熱的に誘発された引き出し角変形を受けたときに前記片持ち部分（１０４ａ）が偏向されないままにする自己補償アンカー構造（１０６）を備え、
前記梁（１０４）の前記片持ち部分（１０４ａ）は、前記基板（１０８）に対して引き出し角を有するように前記基板（１０８）と前記スイッチ構造（１００）との間の不整合歪みが生じている間に変形を起こし、
前記自己補償アンカー構造（１０６）は、前記アンカーを湾曲させて前記片持ち部分（１０４ａ）の前記引き出し角を補償するように前記片持ち部分（１０４ａ）に直交して前記不整合歪みの一部を誘導し、
前記片持ち部分（１０４ａ）が、前記自己補償アンカー構造（１０６）における前記基板（１０８）と垂直な面から、前記基板（１０８）に対して引き出し角を有するように接続され、
前記アンカー構造が、前記基板（１０８）に前記アンカー構造および前記梁（１０４）を機械的に接続する成形アンカー接続部（１２６）を含み、前記成形アンカー接続部（１２６）が、前記片持ち梁（１０４）の長手方向軸（１３２）を中心に対称である形状の単一の一体型の構造を備え、
前記成形アンカー接続部（１２６）が、Ｃ字型アンカー接続部およびＶ字型アンカー接続部のうちの１つを備える、
マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチ（１０９）。

【請求項16】

前記梁（１０４）が、前記アンカー構造から第１の方向に延びる第１の梁（１０４）を備え、前記スイッチ構造（１００）が、前記アンカー構造と一体化された第２の梁（１４０）をさらに備え、前記第２の梁（１４０）が、前記アンカー構造から前記第１の方向とは反対の第２の方向に延び、
前記成形アンカー接続部（１２６）が、Ｉ字型接続部（１４４）およびＸ字型アンカー接続部（１４６）のうちの１つを備える、請求項１５に記載のＭＥＭＳスイッチ（１０９）。

【請求項17】

前記片持ち部分（１０４ａ）が、前記引き出し角変形を引き起こすように、前記基板（１０８）と前記スイッチ構造（１００）との間の熱的に誘発された不整合歪みが生じている間に変形を起こし、
前記自己補償アンカー構造（１０６）が、前記アンカー構造を湾曲させて前記引き出し角変形を補償するように前記片持ち部分（１０４ａ）に直交して前記不整合歪みの一部を誘導する、請求項１５に記載のＭＥＭＳスイッチ（１０９）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱変形低減用の電気機械システム基板アタッチメントに関する。

【背景技術】

【0002】

本発明の実施形態は、一般に、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチに関し、より具体的には、ＭＥＭＳスイッチとＭＥＭＳスイッチが搭載される基板との間の不整合歪みの影響を低減するアンカー設計を有するＭＥＭＳスイッチに関する。

【0003】

ＭＥＭＳは、その最も一般的な形態において、微細加工の技術を使用して作製される小型の機械および電気機械要素（すなわち、デバイスおよび構造）として定義され得る技術である。ＭＥＭＳデバイスの重要な物理的寸法は、寸法スペクトルの下側端部の１ミクロンよりずっと下から、数ミリメートルまでの範囲で変化し得る。同様に、ＭＥＭＳデバイスのタイプは、移動要素を有さない比較的単純な構造から、集積マイクロエレクトロニクスの制御下にある複数の移動要素を有する非常に複雑な電気機械システムまで様々であり得、ＭＥＭＳは、たとえば、しばしばリレーとして機能する（以下、「ＭＥＭＳスイッチ」と呼ぶ）。

【0004】

ＭＥＭＳスイッチに関して、ＭＥＭＳスイッチの１つの主要な基準は、これらの要素が移動することができるかどうかにかかわらず、何らかの種類の機械機能を有する少なくともいくつかの要素があることである。したがって、ＭＥＭＳスイッチは、一般に、基板（すなわち、「アンカー」）に固定された第１の端部と、片持ち接点を有する第２の自由端部とを有する片持ちのような可動部分を含む。ＭＥＭＳスイッチが起動されると、片持ちは、片持ち接点を基板の上かつ片持ち接点の下の基板接点に対して移動させる。

【0005】

ＭＥＭＳスイッチの望ましくない変形の問題は、ＭＥＭＳスイッチを含む金属と半導体基板との間の熱膨張係数（ＣＴＥ）の有意差に起因してしばしば発生し、基板は、たとえば、ハンドルウェハ、絶縁体層、デバイス層、金属誘電体スタック、およびパッシベーション層のような多数の層／材料を含むことが認識されている。ＭＥＭＳスイッチを構成する金属のＣＴＥは、半導体基板（たとえば、パッシベーション層を構成する絶縁体）のＣＴＥの２〜７倍の範囲となることがある。室温（すなわち、２５℃）では、ＣＴＥの差は問題を生じないが、ＭＥＭＳスイッチの製造、組み立て、または動作中に、ＭＥＭＳスイッチおよび基板構造の温度は３００℃を超えることがあり、４００℃〜７００℃の温度も、用いられるウェハ接合プロセスに依存して珍しくない。

【0006】

ＭＥＭＳスイッチが曝されるこれらの高温に影響して、ＭＥＭＳスイッチの歪み状態が変化することがあり、歪み速度の変化は、ＣＴＥの不整合ならびに（ボイド減少、粒成長、エッチングなどのいくつかの影響による）ＭＥＭＳフィルムのアニーリングによるものである。歪み速度の変化は、片持ちの回復可能なおよび回復不可能な変形をもたらし得、このような変形により、ＭＥＭＳスイッチは大きさが非常に厳しい場合には機能しなくなる可能性がある。すなわち、片持ち接点と基板接点との接着は、ＭＥＭＳスイッチの温度が低下する際に片持ち接点と基板接点との接触が離れるのを防止することがある。片持ち接点と基板接点との接触が離れないと、ＭＥＭＳスイッチを組み込む製品の故障と共に、ＭＥＭＳスイッチが故障してしまう。さらに、スイッチの恒久的な変形は、許容可能な動作範囲を超えてスイッチ性能が変化する可能性がある。

【0007】

この問題を解決するための従来の試みは、問題を最小にすることに集中していた。たとえば、１つの解決策は、片持ちの歪み誘発偏向を最小にするように、半導体基板に直接取り付けられたＭＥＭＳスイッチの領域のサイズを小さくすることであった。別の解決策は、片持ちの歪み誘発偏向を最小にするために、アンカーのサイズを小さくすることであった。しかし、このしたアンカーのサイズの縮小は、このようなサイズのアンカーを提供することが困難であるために、歩留まりの問題につながる可能性がある。

【0008】

したがって、ＭＥＭＳスイッチの製造、組み立て、または動作中に発生する可能性がある片持ちの熱作動および変形に対して耐性のある構造を有するＭＥＭＳスイッチを提供することが望ましい。このようなＭＥＭＳスイッチは、歩留まり損失を最小にしながら低コストで製造可能であることがさらに望ましい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】米国特許出願公開第２０１４／００９０３５号明細書

【発明の概要】

【0010】

本発明の実施形態は、その一方の端部にアンカーを有し、基板への２つの接続部を含む片持ちを有するＭＥＭＳスイッチに関する。これらのアンカー接続部は、基板に対して歪みがある場合、片持ちに直交する歪みが基板からアンカーの頂部までの歪み勾配を補償するのに十分なほどアンカーを湾曲させるように、片持ち梁に直交するように配向される。

【0011】

本発明の一態様によれば、ＭＥＭＳスイッチは、基板と、基板に形成されたスイッチ構造とを含み、スイッチ構造は、基板に形成された導電性接点と、基板に結合された自己補償アンカー構造と、第１の端部および第２の端部を備え、第１の端部で自己補償アンカー構造と一体化され、自己補償アンカー構造から直交して延び、第２の端部が導電性接点の上に配置された片持ち部分を備えるように基板上に懸架された梁とをさらに含む。梁の片持ち部分は、基板に対して引き出し角を有するように基板とスイッチ構造との間の不整合歪みの間に変形を起こし、自己補償アンカー構造は、アンカーを湾曲させて片持ち部分の引き出し角を補償するように片持ち部分に直交して不整合歪みの一部を誘導する。

【0012】

本発明の別の態様によれば、ＭＥＭＳスイッチを製造する方法は、基板を設けることと、ウェハレベル接合プロセスを介して基板にスイッチ構造を形成することとを含む。スイッチ構造を形成することは、基板に導電性接点を形成することと、自己補償アンカー構造を形成することと、基板および導電性接点に対して片持ち梁を位置決めするために自己補償アンカー構造に片持ち梁を取り付けることであって、片持ち梁は、自己補償アンカー構造の反対側のその端部に片持ち部分を備える、取り付けることとをさらに含み、自己補償アンカー構造は、片持ち梁の片持ち部分に直交して配置され、片持ち部分は、基板から離間して導電性接点の上に配置されるように延びる。方法はまた、ＭＥＭＳスイッチの接合を達成するために基板およびスイッチ構造にアニーリングプロセスを実行することを含む。梁の片持ち部分は、片持ち部分が基板に対して引き出し角を有するように基板とスイッチ構造との間の不整合歪みに影響してアニーリングプロセス中に変形を起こし、自己補償アンカー構造は、アンカー構造を湾曲させて片持ち部分の引き出し角を補償するように片持ち部分に直交する不整合歪みに起因する歪みの一部を誘導する。

【0013】

本発明のさらに別の態様によれば、ＭＥＭＳスイッチは、基板と、基板に形成されたスイッチ構造とを含み、スイッチ構造は、基板に形成された導電性接点と、基板に結合されたアンカー構造と、アンカー構造と一体化され、そこから直交して延び、基板上に懸架されて導電性接点の上に配置された片持ち部分を備える梁とをさらに含む。アンカー構造は、熱的に誘発された引き出し角変形を受けたときに片持ち部分が偏向されないままにする自己補償アンカー構造を備える。

【0014】

様々な他の特徴および利点が、以下の詳細な説明および図面から明らかになるであろう。

【0015】

図面は、本発明を実施するために現在企図されている実施形態を示している。

【0016】

図面の説明は、以下の通りである。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】例示的な実施形態に従って構成されたＭＥＭＳスイッチの概略斜視図である。

【図2】図１のＭＥＭＳスイッチの概略側面図である。

【図3】図１のＭＥＭＳスイッチの概略部分斜視図である。

【図4】開位置にある図１のＭＥＭＳスイッチの概略側面図である。

【図5】閉位置にある図１のＭＥＭＳスイッチの概略側面図である。

【図6】本発明の一実施形態による、アンカー接続部がその上に形成されている図１のＭＥＭＳスイッチのアンカー構造のより詳細な斜視図である。

【図7】本発明の一実施形態による、アンカー接続部がその上に形成されている図１のＭＥＭＳスイッチのアンカー構造のより詳細な斜視図である。

【図8】図１の片持ち梁の歪みマップを示す図である。

【図9】図１の片持ち梁のアンカーの歪みマップを示す図である。

【図10】本発明の一実施形態による、アンカー構造に取り付けられた二重片持ち梁を有するスイッチ構造の斜視図である。

【図11】本発明の一実施形態による、アンカー構造に取り付けられた二重片持ち梁を有するスイッチ構造の斜視図である。

【図12】本発明の一実施形態による、アンカー構造に取り付けられた片持ち梁の斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

本発明の実施形態は、一方の端部に自己補償アンカー構造を有する片持ちを有するＭＥＭＳスイッチを提供する。自己補償アンカー構造は、基板に対して歪みがある場合、片持ちに直交する歪みが基板からアンカーの頂部までの歪み勾配を補償するのに十分なほどアンカーを湾曲させるように配向される。

【0019】

図１〜３を参照すると、例示的な実施形態に従って構成されたスイッチ構造１００のいくつかの図が示されている。例示的なスイッチ構造１００は、導電性材料（たとえば、金属）を少なくとも部分的に備える接点１０２を含む。スイッチ構造１００はまた、導電性材料（たとえば、金属）を備える、片持ち梁１０４として示される導電性要素を含む。梁１０４の片持ち部分１０４ａは、接点１０２上に延びる。いくつかの実施形態では、導電性要素は、たとえば、梁１０４の保護（および場合によっては非導電性）コーティングまたは接点１０２と接触するように意図された梁の部分に沿って配置された接点パッドのような他の特徴部を含んでもよい。梁１０４は、そこから片持ち部分１０４ａが延び、梁１０４と一体化することができるアンカー構造１０６によって支持される。アンカー構造１０６は、梁１０４の片持ち部分１０４ａを、図示の基板１０８のような下にある支持構造に接続する働きをする。図１〜図３に示すスイッチ構造１００の実施形態では、接点１０２とアンカー構造１０６の両方が、従来の微細加工技術（たとえば、電気めっき、蒸着、フォトリソグラフィ、湿式および／または乾式エッチングなど）を用いて基板１０８に形成される。

【0020】

スイッチ構造１００は、マイクロ電気機械もしくはナノ電気機械デバイスまたはマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチ１０９の一部を構成することができる。たとえば、接点１０２および梁１０４は、数ナノメートルもしくは数マイクロメートル、または数１０ナノメートルもしくは数１０マイクロメートルのオーダーの寸法を有することができる。一実施形態では、梁１０４は１０⁸ｍ^-1以上の表面積対体積比を有してもよく、別の実施形態では、１０³ｍ^-1に近い比でもよい。

【0021】

たとえば、様々な構成要素間の電気的接続を提供するように働く金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）およびパターン化導電層（図示せず）を含む集積回路が基板１０８に形成されてもよい。このようなパターン化導電層はまた、接点１０２および梁１０４への電気的接続（たとえば、アンカー構造１０６を介した後者への接続部）を提供することができ、これらの接続は、図１および図２に概略的に示され、以下で説明される。半導体デバイスおよび導電層は、スイッチ構造１００の特徴部と同様に、従来の微細加工技術を使用して製造することもできる。一実施形態では、基板１０８は、１つまたは複数のＭＯＳＦＥＴを含むように処理された単結晶半導体ウェハの一部であってもよく、スイッチ構造１００および他の回路が、ウェハの表面に形成される。スイッチ構造１００は、ＭＯＳＦＥＴの１つの上に（たとえば、ウェハの表面に垂直な線に沿って）配置されてもよく、ＭＯＳＦＥＴと共に動作可能とすることができ、スイッチ構造１００および基板１０８は、ウェハレベル接合を介して形成される。スイッチ構造１００は、スイッチ構造１００の周りにウェハレベルパッケージ（ＷＬＰ）を構成する１つまたは複数の封止層（図示せず）によって封止されてもよく、封入層は、一般に不活性ガスで満たされるスイッチ構造１００の周りの実質的に気密封止された空洞を形成する。

【0022】

さらに図４および図５を参照すると、梁１０４は、梁が離間距離ｄだけ接点１０２から離れる図４に示す第１の非接触すなわち「開」位置と、梁が接点１０２と電気的に接触する図５に示す第２の接触すなわち「閉」位置の間で選択的に移動可能に構成することができる。たとえば、梁１０４は、梁が非接触位置に自然に配置される（すなわち、外部から加えられる力がない）ように、接触位置と非接触位置との間を移動するときに変形を起こすように構成することができ、その中に機械エネルギーを蓄積しながら接触位置を占めるように変形し得る。他の実施形態では、梁１０４の非変形構成が、接触位置であってもよい。

【0023】

スイッチ構造１００はまた、適切に帯電されたときに電極と梁１０４との間に電位差を提供する電極１１０を含むことができ、その結果梁を電極に向かって、かつ接点１０２に対して引っ張る静電気力が生じる。電極１１０に十分な電圧を加えると、静電気力が梁１０４を変形させ、それによって梁を図４に示す非接触（すなわち、開または非導電）位置から図５に示す接触（すなわち、閉または導電）位置に変位させる。したがって、電極１１０は、スイッチ構造の開閉を制御するように働く電極１１０に加えられる電圧（「ゲート電圧」と呼ばれる）を用いて、スイッチ構造１００に対して「ゲート」として作用することができる。電極１１０は、ゲート電圧Ｖ_Gが電極１１０に選択的に加えられ得るように、ゲート電圧源１１２と連通することができる。

【0024】

接点１０２および梁１０４は、回路１１４の構成要素である。例示的な回路１１４は、互いに切断されたときに、（側の一方のみが電源１２０に接続されるように）互いに対して異なる電位にある第１の側１１６および第２の側１１８を有する。接点１０２および梁１０４は、回路１１４の側１１６，１１８のいずれかにそれぞれ接続することができ、第１および第２の位置の間の梁の変形がそれぞれ通過し、流れる電流を遮断するように作用する。梁１０４は、スイッチ構造１００が利用される用途によって決定される周波数（均一または不均一のいずれか）で接点１０２との接触および非接触を繰り返して移動することができる。接点１０２と梁１０４が互いに分離される場合、接点と梁との間の電圧差は、「スタンドオフ電圧」と呼ばれる。

【0025】

一実施形態では、梁１０４は、電源１２０と（たとえば、アンカー構造１０６を介して）連通することができ、接点１０２は、負荷抵抗Ｒ_Lを有する電気負荷１２２と連通することができる。電源１２０は、電圧源または電流源として動作することができる。梁１０４は電気接点として作用し、梁が接触位置にあるときに電源１２０から梁１０４を介して、接点１０２および電気負荷１２２に負荷電流（たとえば、約１ｍＡ以上の振幅および約１ｋＨｚ以下の発振周波数を有する）が流れることを可能にし、または梁が非接触位置にあるときに電気経路を分断し、電源から負荷への電流の流れを防止する。上述した電流およびスイッチング周波数は、比較的高い電力分配用途において利用することができる。スイッチ構造１００が（比較的低電力で動作することが多い）シグナリング状況で利用される用途のような他の実施形態では、電源１２０は、１ｋＨｚより大きい発振周波数で、１００ｍＡ以下（および１ｍＡ程度まで）の大きさを有する電流を供給することができる。

【0026】

上述したスイッチ構造１００は、回路全体の電流および電圧容量を増加させるために、設計が類似するまたは異なる他のスイッチ構造を含む回路の一部として利用することができる。このようなスイッチ構造は、スイッチ構造が開いているときのスタンドオフ電圧の均一な分布、およびスイッチ構造が閉じているときの電流の均一な分布を促進にするように、直列または並列に構成することができる。

【0027】

ＭＥＭＳスイッチ１０９は、その製造および動作中に極端な温度範囲で熱サイクルを受けることが認識されている。たとえば、ＭＥＭＳスイッチ１０９の製造、組み立て、および／または動作中に、ＭＥＭＳスイッチ１０９の温度は、ウェハレベル接合プロセスの一部として実行されるアニーリングステップの間のように、２５℃から３００℃（たとえば、４００℃）を超える範囲となり得る。ＭＥＭＳスイッチ１０９がこの温度範囲に曝されると、スイッチ構造の歪み状態の変化に起因する、スイッチ構造１００の、すなわち片持ち梁１０４の望ましくない変形の問題を引き起こす可能性がある。歪み速度の変化は、ＭＥＭＳスイッチ１０９における材料間のＣＴＥの有意な差異、ならびに（ボイド減少、粒成長、エッチングなどのいくつかの影響による）基板１０８のアニーリングに起因することがあり、片持ち梁１０４の回復可能なおよび回復不可能な変形を引き起こす歪み速度の変化により、スイッチ構造１００は大きさが非常に厳しい場合には機能しなくなる可能性がある。

【0028】

基板１０８とスイッチ構造１００との間の不整合歪みの影響を低減するために、本発明の実施形態は、不整合歪みに起因する片持ち梁１０４の典型的な引き出し角変形を補償する三次元変形構造、すなわち、自己補償アンカー構造を有するアンカー構造１０６を有するスイッチ構造１００を提供する。再び図１を参照し、図６をさらに参照すると、スイッチ構造１００のアンカー構造１０６が、例示的な実施形態に従ってより詳細に示されている。図１および図６に示すように、アンカー構造１０６は、アンカー構造１０６が梁１０４の片持ち部分１０４ａに直交して配向するように、片持ち梁１０４に形成され／取り付けられる。アンカー構造１０６は、アンカー構造１０６および片持ち梁１０４が基板１０８に機械的に接続される１つまたは複数のアンカー接続部１２６をその上に含む。例示的な実施形態によれば、１つまたは複数のアンカー接続部１２６は、概して成形アンカー接続部として説明することができる単一の／一体型の要素として設けられる。単一の成形アンカー接続部１２６は、片持ち梁１０４に直交する成形アンカー接続部１２６の断面が、成形アンカー接続部の２つ以上の領域を通過するように、すなわち、成形アンカー接続部がアンカー１０６／梁１０４を基板１０８に機械的に接続する少なくとも２つの別個の領域（概して１２８および１３０として示される）があるように構成される。さらに、単一の成形アンカー接続部１２６は、接続部が片持ち梁１０４の長手方向軸１３２を中心に対称となるようにアンカー構造１０６に形成されて配置される。

【0029】

図６の特定の実施形態を参照すると、アンカー接続部は、片持ち梁１０４の長手方向軸１３２を中心に対称であるＣ字型アンカー接続部１２６として構成される。しかし、代替の実施形態によれば、アンカー構造１０６のアンカー接続部１３４は、図７に示すように、片持ち梁１０４の長手方向軸１３２を中心に対称であるＶ字型アンカー接続部として構成することができる。これらの実施形態のいずれかにおいても、アンカー接続部１２６，１３４は、不整合歪みに起因する片持ち梁１０４の典型的な引き出し角変形を補償する自己補償アンカー構造としてアンカー構造１０６を作用させるようにする。すなわち、３００℃を超える温度のような基板１０８とスイッチ構造１００との間の不整合歪みの間、梁１０４の片持ち部分１０４ａは、基板１０８に対して「引き出し角」を有するように変形を起こし、すなわち、ｚ方向に基板１０８に向かって偏向する。片持ち部分１０４ａの配向に直交する方向におけるアンカー接続部１２６，１３４のその一般的な配向に沿った構成は、引き出し角に直交する方向の歪み勾配を利用することによってこの引き出し角を補償するように機能する。この歪みは、梁１０４の片持ち部分１０４ａを非偏向／非変形位置に効果的に引き戻すために、片持ち梁の金属のポアソン比、すなわち、軸方向の歪みに対する横方向の歪みの負の比によって作用する。すなわち、片持ち部分１０４ａが基板１０８に対して歪んでいる（すなわち、不整合歪み）場合、歪みの一部が片持ち部分１０４ａに直交するように誘導され、歪みのこの部分は、基板１０８からアンカー構造１０６の頂部までの歪み勾配を補償するのに十分なほどアンカー構造１０６を湾曲させる。言い換えれば、片持ち部分１０４ａに直交して誘導された不整合歪みの部分は、片持ち部分１０４ａを非偏向または非変形位置に引き戻すように、基板１０８に垂直な歪みの勾配を発生させる。例示的な実施形態によれば、片持ち部分１０４ａに直交して誘導された歪みは、片持ち梁１０４の長さの２０％未満に及び、歪みが延びるこの長さは、片持ち部分１０４ａの偏向を防ぐのに十分である。したがって、自己補償アンカー構造としてのアンカー構造１０６の構成は、完全に自己補償する片持ち梁１０４をもたらし、これは、片持ち部分１０４ａの引き出し角を引き起こすのと同じ歪みが、梁１０４を補償して水平に引っ張るためにも使用されることを意味する。

【0030】

次に図８および図９を参照すると、図６に示すように設けられたアンカー接続部１２６（すなわち、Ｃ字型アンカー接続部）に対して、片持ち梁１０４全体およびアンカー構造１０６が受ける歪みのレベル／大きさをそれぞれ図示する歪みマップ１３６，１３８が示されている。歪みマップ１３６，１３８は、アンカー構造１０６の近傍で最大量の歪みを受け、片持ち部分１０４ａの遠位端部で最小量の歪みを受けることを示している。アンカー接続部１２６の近傍で受ける片持ち部分１０４ａに直交する歪みは、基板１０８からアンカー構造１０６の頂部までの歪み勾配を補償するのに十分なほどアンカー構造１０６を湾曲させるので、片持ち部分１０４ａを非偏向／非変形位置に引き戻す。

【0031】

次に図１０および図１１を参照すると、本発明の追加の実施形態による自己補償アンカー構造１０６を各々含むスイッチ構造１００が示されている。図１０および図１１のスイッチ構造１００は、同じアンカー構造１０６に取り付けられる２つの別個の片持ち梁１０４，１４０を各々含むように形成される。片持ち梁１０４，１４０は、第１の梁１０４がアンカー構造１０６から第１の方向に延び、第２の梁１４０がアンカー構造１０６から第１の方向とは反対の第２の方向に延びるように配置される。図１０および図１１には示されていないが、動作中、梁１０４，１４０の各々は、各梁の片持ち部分１０４ａ、１４０ａが、第１の非接触すなわち「開」位置と第２の接触すなわち「閉」位置との間を移動するように、それぞれの接点に対して選択的に移動することが認識され、電極１１０は、図１に示され説明されたものと同様に、電極と梁１０４，１４０との間に電位差を提供し、梁を電極に向かって、かつ接点１０２に対して引っ張る静電気力を生成する。

【0032】

本発明の実施形態によれば、背中合わせに配置された２つの別個の片持ち梁１０４，１４０を含むスイッチ構造１００において、アンカー構造１０６は、アンカー構造１０６のアンカー接続部を適切に成形することによって自己補償アンカー構造として機能することができる。すなわち、アンカー構造１０６には、片持ち梁１０４，１４０の長手方向軸１３２を中心に、かつ１４２で示されるアンカー構造の中間点を通過する片持ち梁に直交する軸を中心に対称である成形アンカー接続部が設けられる。本発明の例示的な実施形態によれば、成形アンカー接続部は、図１０に示すようなＩ字型アンカー接続部１４４、または図１１に示すようなＸ字型アンカー接続部１４６として構成することができる。実施形態の各々において、アンカー接続部１４４，１４６は、３００℃を超える温度で起こるような、基板１０８とスイッチ構造１００との間の不整合歪みに起因する片持ち梁１０４，１４０のいずれか／両方の典型的な引き出し角変形を補償する自己補償アンカー構造としてアンカー構造１０６を作用させるようにする。アンカー接続部１４４，１４６の構成は、片持ち部分１０４ａ，１４０ａに直交する歪みの一部を誘導することによって、各梁の片持ち部分１０４ａ，１４０ａのこの引き出し角変形を補償するように機能し、歪みのこの部分は、片持ち部分１０４ａ，１４０ａを非偏向または非変形位置に引き戻すように、アンカー構造１０６を湾曲させる基板１０８に垂直な歪みの勾配を発生させる。

【0033】

次に図１２を参照すると、本発明の別の実施形態によれば、アンカー構造１０６に単一の／一体型のアンカー接続部を有するのではなく、アンカー構造１０６および梁１０４を基板１０８に機械的に接続する２つ以上の別個のアンカー接続部１４８，１５０をアンカー接続部に設けることができることが認識されている。２つ以上の別個のアンカー接続部１４８，１５０は、片持ち梁１０４が受ける歪みを打ち消す／補償するために、スイッチ構造１００の設計上の考慮に基づいて、自己補償アンカー構造１０６上にサイズ決め／形状決めされ、位置決めされ、角度付けされる。すなわち、２つ以上の別個のアンカー接続部１４８，１５０は、片持ち部分１０４ａに直交して基板１０８とスイッチ構造１００との間の不整合歪みの適切な部分を誘導するために、自己補償アンカー構造１０６上にサイズ決め／形状決めされ、位置決めされ、角度付けされ、アンカー構造１０６を湾曲させ、片持ち部分の引き出し角を所望の態様で補償する。一例として、アンカー構造１０６は、８×８マイクロメートルの寸法を有し、１０マイクロメートル離れて配置された一対のアンカー接続部１４８，１５０が設けられるように構成されてもよい。別の例として、アンカー構造１０６は、８×８マイクロメートルの寸法を有し、３０マイクロメートル離れて配置された一対のアンカー接続部１４８，１５０が設けられるように構成されてもよい。

【0034】

図６、図７、および図１０〜図１２の実施形態の各々において、片持ち梁１０４，１４０の厚さおよびそれが形成される材料はまた、片持ち梁１０４，１４０が受ける歪みを打ち消す／補償するために、アンカー接続部（単数または複数）のサイジング、幾何学的形状および間隔と共に選択することができることが認識されている。実施形態によれば、スイッチ構造１００の片持ち梁１０４，１４０は、ニッケル（Ｎｉ）−１２原子パーセントのタングステン（Ｗ）、またはニッケル（Ｎｉ）−２０原子パーセントのタングステン（Ｗ）を含む層とすることができる。片持ち梁１０４，１４０はまた、「クリープ抵抗性」材料として定義されているもので形成されてもよく、ここで使用される「クリープ抵抗」という用語は、継続的な負荷または応力を受けたときに時間依存性の塑性変形に抵抗する材料の能力を意味する。このような実施形態では、片持ち梁１０４，１４０は、Ｎｉ系および／またはコバルト（Ｃｏ）系超合金を含む超合金、Ｎｉ・Ｗ合金、Ｎｉ・Ｍｎ合金、小量のＮｉおよび／またはＣｏを含有する金（「硬金」）、Ｗ、金属間化合物、固溶体および／または第２の相強化をし易い材料、および六角形構造または低い積層欠陥エネルギーを有する材料のような塑性変形を抑制する結晶構造を有する材料で形成することができる。片持ち梁１０４，１４０を形成するために、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ａｇ、ＴａおよびＷの任意の組合せを含む、他の二元合金もまた使用することができる。

【0035】

有利なことに、したがって本発明の実施形態は、スイッチ構造とそれが形成される基板との間の不整合歪みの影響を低減する片持ち梁および自己補償アンカー構成を有するＭＥＭＳスイッチおよび関連するスイッチ構造を提供し、それにより片持ち梁は、非偏向または非変形位置に維持される。アンカーを基板に接続する成形アンカー接続部（単数または複数）を設けることにより、片持ち梁の典型的な引き出し角変形は、引き出し角に直交する方向の歪み勾配を利用することによって補償される。すなわち、基板に対して歪みがある場合、歪みの一部は、基板からアンカーの頂部までの歪み勾配を補償するのに十分なほどアンカーを湾曲させるように、片持ち梁に直交するように誘導され、梁の金属のポアソン比によって動作する歪みは、片持ち梁を所定の位置に効果的に引き戻す。結果として、構造は合計の歪みレベルに影響されず、それによって材料の最終歪み状態において柔軟性をもたらし、ひいてはスイッチ構造の処理において柔軟性を与える。

【0036】

本発明の一実施形態によれば、ＭＥＭＳスイッチは、基板と、基板に形成されたスイッチ構造とを含み、スイッチ構造は、基板に形成された導電性接点と、基板に結合された自己補償アンカー構造と、第１の端部および第２の端部を備え、第１の端部で自己補償アンカー構造と一体化され、自己補償アンカー構造から直交して延び、第２の端部が導電性接点の上に配置された片持ち部分を備えるように基板上に懸架された梁とをさらに含む。梁の片持ち部分は、基板に対して引き出し角を有するように基板とスイッチ構造との間の不整合歪みの間に変形を起こし、自己補償アンカー構造は、アンカーを湾曲させて片持ち部分の引き出し角を補償するように片持ち部分に直交して不整合歪みの一部を誘導する。

【0037】

本発明の別の実施形態によれば、ＭＥＭＳスイッチを製造する方法は、基板を設けることと、ウェハレベル接合プロセスを介して基板にスイッチ構造を形成することとを含む。スイッチ構造を形成することは、基板に導電性接点を形成することと、自己補償アンカー構造を形成することと、基板および導電性接点に対して片持ち梁を位置決めするために自己補償アンカー構造に片持ち梁を取り付けることであって、片持ち梁は、自己補償アンカー構造の反対側のその端部に片持ち部分を備える、取り付けることとをさらに含み、自己補償アンカー構造は、片持ち梁の片持ち部分に直交して配置され、片持ち部分は、基板から離間して導電性接点の上に配置されるように延びる。方法はまた、ＭＥＭＳスイッチの接合を達成するために基板およびスイッチ構造にアニーリングプロセスを実行することを含む。梁の片持ち部分は、片持ち部分が基板に対して引き出し角を有するように基板とスイッチ構造との間の不整合歪みに影響してアニーリングプロセス中に変形を起こし、自己補償アンカー構造は、アンカー構造を湾曲させて片持ち部分の引き出し角を補償するように片持ち部分に直交する不整合歪みに起因する歪みの一部を誘導する。

【0038】

本発明のさらに別の実施形態によれば、ＭＥＭＳスイッチは、基板と、基板に形成されたスイッチ構造とを含み、スイッチ構造は、基板に形成された導電性接点と、基板に結合されたアンカー構造と、アンカー構造と一体化され、そこから直交して延び、基板上に懸架されて導電性接点の上に配置された片持ち部分を備える梁とをさらに含む。アンカー構造は、熱的に誘発された引き出し角変形を受けたときに片持ち部分が偏向されないままにする自己補償アンカー構造を備える。

【0039】

本明細書は、本発明を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も本発明を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイスまたはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、特許請求の範囲の文言との差がない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言との実質的な差がない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることを意図している。

【0040】

本発明は、限られた数の実施形態に関して詳細に説明してきたが、本発明は、このような開示された実施形態に限定されないことは容易に理解されよう。むしろ、本発明は、これまでに説明していないが、本発明の精神および範囲に相応する、任意の数の変形、変更、置換または等価な構成を組み込むように修正されてもよい。また、本発明の様々な実施形態を説明したが、本発明の態様は、説明した実施形態のうちの一部のみを含んでもよいことが理解されよう。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されるとみなされるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

【符号の説明】

【0041】

１００ スイッチ構造
１０２ 接点
１０４ 片持ち梁、第１の梁
１０４ａ 片持ち部分
１０６ 自己補償アンカー構造
１０８ 基板
１０９ ＭＥＭＳスイッチ
１１０ 電極
１１２ ゲート電圧源
１１４ 回路
１１６ 第１の側
１１８ 第２の側
１２０ 電源
１２２ 電気負荷
１２６ 成形アンカー接続部、Ｃ字型アンカー接続部
１２８ 領域
１３０ 領域
１３２ 長手方向軸
１３４ アンカー接続部
１３６ 歪みマップ
１３８ 歪みマップ
１４０ 片持ち梁、第２の梁
１４０ａ 片持ち部分
１４２ 中間点
１４４ Ｉ字型アンカー接続部
１４６ Ｘ字型アンカー接続部
１４８ アンカー接続部
１５０ アンカー接続部
Ｒ_L 負荷抵抗
■Ｇ ゲート電圧
ｄ 離間距離

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】