JP2003117898A - マイクロマシンを高密度に収容するシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】基板上にマイクロマシンを高密度に収容するシ
ステムおよび方法を提供する。 【解決手段】マイクロマシンシステム(100)を提供す
る。本発明のマイクロマシンシステムの１実施態様は、
トレンチ(116,512)を画定する基板(111,504)を備える。
第１の超小型電気機械デバイス(110,502）及び第２の超
小型電気機械デバイス(110,502）の少なくとも一部がト
レンチ内に配置される。これらの超小型電気機械デバイ
スの各々には、基板に対して移動するよう構成された第
１の部分が組み込まれている。マイクロマシンシステム
を製造する方法も提供される。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は全般にマイクロマシ
ンに関し、より具体的には、基板上にマイクロマシンを
高密度に収容するシステムおよび方法に関する。 【０００２】 【従来の技術】超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）デ
バイス（デバイスには、装置または素子が含まれる）の
ようなマイクロマシンが多くの用途において普及してき
ている。これらの素子は非常に小さなスケールにおいて
機械的な機能を提供することができる。たとえば、典型
的なマイクロマシンは数十ナノメートル〜数十ミリメー
トルのスケールで形成されることができる。 【０００３】多くの場合に、マイクロマシンは基板、た
とえば半導体ウェーハ上に形成される。１枚の基板が数
百個以上のマイクロマシンを収容することができる。基
板の単位面積当たりに設けることができるマイクロマシ
ンの数、すなわちマイクロマシンの収容密度（または装
填密度）は、いくつかの要因によって影響を及ぼされ
る。たとえば、マイクロマシンの大きさ、および隣接す
るマイクロマシン間に設けられる間隔がマイクロマシン
の収容密度に影響を与える。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】マイクロマシンの収容
密度を高めたいという要望は絶えずあると思われるた
め、この要望および／または他の要望に対処するシステ
ムおよび方法が必要とされている。したがって本発明の
目的は、基板上にマイクロマシンを高密度に収容するシ
ステムおよび方法を提供することである。 【０００５】 【課題を解決するための手段】手短に述べると、本発明
はマイクロマシンに関連する。この点にについて、本発
明の実施形態はマイクロマシンシステムとみなすことも
できる。そのようなマイクロマシンシステムの一実施形
態はトレンチを画定する基板を含む。第１および第２の
超小型電気機械デバイスが、少なくとも部分的にトレン
チ内に配置される。超小型電気機械デバイスはそれぞ
れ、基板に対して移動するように構成される第１の部分
を備える。 【０００６】本発明の他の実施形態は、マイクロマシン
のアレイを形成するための方法とみなすことができる。
この点について、一実施形態は、基板を配設するステッ
プと、基板内にトレンチを形成するステップとを含む。
第１および第２の超小型電気機械デバイスが、少なくと
も部分的にトレンチ内に配置される。超小型電気機械デ
バイスはそれぞれ、基板に対して移動するように構成さ
れる第１の部分を備える。以下、超小型電気機械デバイ
スをマイクロマシンとして説明する。 【０００７】本発明の他の特徴および利点は、以下の図
面および詳細な説明を検討すれば、当業者には明らかで
あろう。本明細書及び図面に開示されたそのような全て
の特徴および利点は、特許請求の範囲に規定された本発
明の範囲内に含まれることが意図されている。 【０００８】 【発明の実施の形態】特許請求の範囲において規定され
る本発明は、添付の図面を参照すればさらに理解を深め
ることができる。図面は必ずしも同一スケールで描かれ
ているわけではなく、本発明の原理を明確に示すことに
重点を置いている。 【０００９】ここで図面を参照すると、図１はマイクロ
マシンシステム１００の一実施形態を示す。なお、いく
つかの図面を通して、同じ参照番号は、対応する構成要
素を示している。後にさらに詳細に記載されるように、
本発明のマイクロマシンシステムの実施形態は、マイク
ロマシンを高密度に収容するために種々の技術を用いる
ことができる。 【００１０】図１において、マイクロマシンシステム１
００は、基板１１１上に設けられた多数のマイクロマシ
ン１１０を備える。一例として、基板１１１は半導体ウ
ェーハとすることができる。各マイクロマシン１１０
は、超小型可動子構成要素（「超小型可動子（マイクロ
ムーバー）」）１１２を備える。超小型可動子１１２
は、基板１１１の少なくとも一部に対して移動するよう
に構成される。本発明の他の実施形態では、超小型可動
子以外の種々のタイプのマイクロマシンを用いることが
できる。しかしながら、以下の説明では、本発明の実施
形態を、超小型可動子を参照して記載する。これは単に
説明を容易にするためのものであり、本発明を制限する
ためのものでない。 【００１１】超小型可動子１１２は、隣接する超小型可
動子１１２が互いに干渉しないように、互いから離隔し
て配置されることが好ましい。より具体的には、仮に隣
接する超小型可動子が互いに接触可能にされていたな
ら、超小型可動子の一方あるいは両方が、意図した機能
を実行するのを妨げられ、及び／または損傷を受ける可
能性がある。隣接する超小型可動子間の間隔は、対応す
るトレンチ１１６内に各超小型可動子を配置することに
より調整される。各トレンチは基板１１１の材料によっ
て画定されることが好ましい。より具体的には、基板の
材料は、超小型過可動子の行１２０をなす隣接して配置
された超小型可動子間の縦方向の障壁１１８を形成す
る。横方向障壁１１２は、超小型可動子の列１２４の隣
接して配置される超小型可動子間に形成される。トレン
チ１１６は、たとえばエッチングによって、トレンチの
所望の領域において基板の材料を除去することにより、
及び／または、たとえば材料の堆積によって、トレンチ
の所望の領域の周囲に隆起した領域を形成することによ
り形成することができる。 【００１２】図１に示される実施形態では、超小型可動
子１１２は、可撓性部材１３０によって、それらの各ト
レンチ内にしっかりと保持される。多数の可撓性部材１
３０が各超小型可動子１１２と係合する。可撓性部材
は、超小型可動子が移動できるようにしながら、たとえ
ば、超小型可動子１１２が基板１１１に対して移動する
ようにしながら、そのトレンチ内に超小型可動子を保持
することができる。可撓性部材の典型的な例には、ばね
および微細加工されたビーム（または梁）が含まれる。 【００１３】各可撓性部材１３０はアンカー１３２に取
着（すなわち、付着または固定）される。アンカー１３
２は、基板に取着される構成要素として、または基板の
材料の一部として形成することができる。 【００１４】マイクロマシンは種々の微細機械加工プロ
セスによって製造することができる。典型的なプロセス
では、デバイスの材料はシリコンであり、それはウェー
ハの形態で与えられる。超小型可動子、可撓性部材およ
びアンカーのシステムは、マスク層によってシリコンウ
ェーハ内に画定され、マスク層はたとえばフォトレジス
トから形成することができる。深いシリコン反応性イオ
ンエッチング（シリコンリアクティブイオンエッチン
グ）を用いて、マスクの形状をシリコンウェーハに転写
することができる。典型的なエッチングの深さは１０〜
１００μｍであろう。エッチングの深さはしばしば、微
細機械加工が開始される前に、シリコンウェーハ内に設
けられたエッチング停止層（エッチング止め層）によっ
て設定される。エッチング停止層は、たとえば二酸化ケ
イ(珪)素で形成することができる。エッチング停止層は
犠牲層として用いられ、超小型可動子を基板から容易に
切り離せるようにする。切り離しとは、ＭＥＭＳ部品、
たとえば超小型可動子上の拘束が解除されるプロセスの
ことを指す。これにより、超小型可動子は、基板に対し
て自在に移動できるようになる。たとえば、図１の実施
形態では、可撓性部材およびアンカーは、切り離された
超小型可動子の動きを所望の自由度に制限するための役
割を果たす。 【００１５】所望の領域内のマイクロマシン構成要素の
周囲から犠牲材料を除去するために、犠牲層の等方性エ
ッチングが実行される。たとえば、犠牲層は１μｍ厚に
することができる。エッチングステップの持続時間は、
その基板からどの構造が切り離されるかを決定する。た
とえば、エッチング時間を長くすると、典型的には、エ
ッチング中に、より多くの犠牲材料が除去される。エッ
チング中により多くの材料を除去することにより、典型
的にはより大きな構造、すなわちマスクステップにおい
て画定される、より大きな構造を切り離すことができ
る。十分な時間を与えることにより、切離し用エッチン
グは、超小型可動子およびその可撓性部材の下側に形成
された犠牲材料を完全に除去することができる。対照的
に、アンカーはエッチングによって切り離されない。ア
ンカーの切離しを防ぐために、アンカーはエッチングに
よって、切離しが可能になる度合いまで切り取られない
（アンダーカットされない）ように、十分に広い幅に形
成される。 【００１６】ここで図２を参照すると、いくつかの個別
の寸法がマイクロマシン１１０の収容密度、すなわち単
位面積当たりのマイクロマシンの数に影響を及ぼすこと
が示される。より具体的には、各マイクロマシン１１０
は、長さ（Ｍ_Ｘ）と幅（Ｍ_Ｙ）とを有する。Ｍ_Ｘおよび
Ｍ_Ｙは物理的なデバイスの寸法とその動作範囲との両方
を含む。各マイクロマシン１１０は、長さ（Ｓ_Ｘ）だけ
隣接するマイクロマシンから離隔して配置される。すな
わち、Ｓ_Ｘは同じ行の隣接するマイクロマシン間の距離
である。幅（Ｓ_Ｙ）は同じ列の隣接するマイクロマシン
間の距離である。したがって、図２に示される実施形態
では、マイクロマシン１１０に関連する全面積は以下の
式によって表される。 【００１７】Ｘ方向の寸法：Ｍ_Ｘ＋(2)(1/2 Ｓ_Ｘ） 【００１８】Ｙ方向の寸法：Ｍ_Ｙ＋(2)(1/2 Ｓ_Ｙ） 【００１９】マイクロマシンシステム１００の別の実施
形態を図３に示す。図３に示すように、図１および図２
の実施形態に示される長手方向（または縦方向）の障壁
が、隣接する超小型可動子１１０の間には設けられてい
ない。この構成では、図１および図２の実施形態に比べ
て、より高い収容密度のマイクロマシンが達成される。
詳しくは、図３の各マイクロマシン１１０は、Ｍ_Ｘ１の
長さを必要とし、いくつかの実施形態では、Ｍ_Ｘ１＜Ｍ
_Ｘ＋（2）（1/2 Ｓ_Ｘ）の長さを必要とする。 【００２０】マイクロマシンシステム１００の別の実施
形態を図４に示す。図示のように、隣接して配置された
マイクロマシン間にセパレータ４１０が設けられる。セ
パレータ４１０は、隣接する超小型可動子が直に接触す
るのを防ぐように構成される。各セパレータ４１０は、
個別の構成要素として形成されることが好ましい。すな
わち、基板の材料とは別に形成されることが好ましい。
たとえば、セパレータ４１０は、可撓性部材１３０とビ
ーム（または梁）と類似の微細加工されたビームとする
ことができる。 【００２１】図４では、多数の可撓性部材１３０を固定
するためにアンカー４２０が用いられる。詳細には、各
アンカー４２０は、隣接する一対の超小型可動子間に配
置され、一対の超小型可動子の各超小型可動子からの少
なくとも１つの可撓性部材を取着するために用いられ
る。また各アンカー４２０は、１つあるいは複数のセパ
レータ４１０を固定することができる。可撓性部材およ
び／またはセパレータのような多数の構成要素を固定す
るためのアンカーを組み込んだ実施形態では、より高い
収容密度を達成することができる。より具体的には、い
くつかの実施形態では、Ｍ_Ｘ２＜Ｍ_Ｘ１＜Ｍ_Ｘ＋（2）
（1/2 Ｓ_Ｘ）である。 【００２２】図５では、マイクロマシンシステム１００
は、基板５０４上に設けられた多数のマイクロマシン５
０２を備える。マイクロマシン５０２は、隣接する超小
型可動子５０６が互いに干渉しないように、互いから離
隔して配置されることが好ましい。マイクロマシンの可
撓性部材５０８はアンカーに取着される。アンカーは、
基板の表面５１０から隆起しており、アンカーの周囲に
配列されるトレンチ５１２を画定する。 【００２３】図５には、４つのタイプのアンカー、すな
わち、アンカー５１４、５１６、５１８および５２０が
示されている。より具体的には、アンカー５１４は１つ
の超小型可動子からの１つの可撓性部材を取着するよう
に構成される。典型的には、そのような超小型可動子は
マイクロマシンのアレイの角に配置される。アンカー５
１６に関しては、これらのアンカーは少なくとも２つの
マイクロマシンからの可撓性部材を取着するように構成
される。図５のマイクロマシンシステム１００はマイク
ロマシンの列５２２を含むため、アンカー５１６は典型
的にはマイクロマシンの列の外側縁部にそってのみ設け
られる。 【００２４】アンカー５１８も、少なくとも２つのマイ
クロマシン（または超小型可動子）からの可撓性部材を
取着するように構成される。アンカー５１８は典型的に
はマイクロマシンの行５２４の外側縁部にそってのみ設
けられる。アンカー５１６と同様に、アンカー５１８は
少なくとも２つのマイクロマシンからの可撓性部材を取
着するように構成される。しかしながら、その各アンカ
ーがアンカーの両側において可撓性部材と係合するアン
カー５１６とは異なり、各アンカー５１８は典型的に
は、そのアンカーの一方の側に沿って可撓性部材と係合
する。 【００２５】アンカー５２０は典型的には、マイクロマ
シンのアレイの外側周縁部以外の場所に設けられる。図
５に示されるように、アンカー５２０は、少なくとも４
つの超小型可動子からの可撓性部材を取着するように構
成される。詳細には、アンカーの一方の側は第１の行の
隣接して配置された超小型可動子の可撓性部材を取着す
るように構成され、アンカーの他方の側は第２の行の隣
接して配置された超小型可動子の可撓性部材を取着する
ように構成される。 【００２６】図５には示していないが、セパレータも、
マイクロマシンシステム１００の隣接して配置された超
小型可動子のうちの少なくともいくつかの間に設けるこ
とができる。 【００２７】上記の記載は、例示および説明のために提
示した。このことは、本発明の全ての態様を開示したこ
とや、本発明を開示した形態そのままのものに限定する
ことを意図していない。上記の教示に鑑みて、変更およ
び変形態様を実現することができる。しかしながら、開
示した１つあるいは複数の実施形態は、本発明の原理お
よびその実用的な応用形態を最もわかりやすく説明し、
それにより当業者が、意図している実用的な用途に適す
るような種々の実施形態および種々の変更形態で本発明
を利用できるようにするために選択され、説明されたも
のである。 【００２８】たとえば、隣接して配置されるマイクロマ
シン間の間隔は、共に動くように意図されたマイクロマ
シンの場合には必要とされない場合がある。これらの実
施形態では、それらのマイクロマシンが互いに係合する
ようにマイクロマシンを構成することにより、より高い
収容密度を達成することができる。全てのそのような変
更および変形は、特許請求の範囲が公正、かつ合法的に
権利を与えられる範囲に基づいて解釈されるならば、そ
れによって決定される本発明の範囲内にある。 【００２９】以下においては、本発明の種々の構成要件
の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。 １．トレンチ（１１６、５１２）を画定する基板（１１
１、５０４）と、前記トレンチ内に少なくとも部分的に
配置される第１の超小型電気機械デバイス（１１０、５
０２）であって、前記第１の超小型電気機械デバイスは
第１の部分を含み、前記第１の部分は前記基板に対して
移動するように構成されることからなる、第１の超小型
電気機械デバイスと、前記トレンチ内に少なくとも部分
的に配置されると共に、前記第１の超小型電気機械デバ
イスに隣接して配置される第２の超小型電気機械デバイ
ス（１１０、５０２）であって、前記第２の超小型電気
機械デバイスは第１の部分を含み、前記第１の部分は前
記基板に対して移動するように構成されることからな
る、第２の超小型電気機械デバイスを備える、マイクロ
マシンシステム（１００）。 ２．前記基板に対して所定の位置に固定される第１のア
ンカー（１３２）であって、前記第１のアンカーは、前
記第１の超小型電気機械デバイスの前記第１の部分を前
記トレンチ内に少なくとも部分的に保持するように構成
される、第１のアンカーと、前記基板に対して所定の位
置に固定される第２のアンカー（１３２）であって、前
記第２のアンカーは、前記第２の超小型電気機械デバイ
スの前記第１の部分を前記トレンチ内に少なくとも部分
的に保持するように構成される、第２のアンカーをさら
に備える、上項１に記載のマイクロマシンシステム。 ３．前記第１の超小型電気機械デバイスの前記第１の部
分を前記トレンチ内に少なくとも部分的に保持するため
の手段と、前記第２の超小型電気機械デバイスの前記第
１の部分を前記トレンチ内に少なくとも部分的に保持す
るための手段をさらに備える、上項１に記載のマイクロ
マシンシステム。 ４．前記第１の超小型電気機械デバイスの前記第１の部
分と前記第２の超小型電気機械デバイスの前記第１の部
分とは互いに独立して移動するように構成される、上項
１に記載のマイクロマシンシステム。 ５．前記第１の超小型電気機械デバイスと前記第２の超
小型電気機械デバイスとの間に少なくとも部分的に配置
されるセパレータ（４１０）をさらに備え、前記セパレ
ータは、前記第１の超小型電気機械デバイスの前記第１
の部分と前記第２の超小型電気機械デバイスの前記第１
の部分とによる接触（または接近）に応じて変形するよ
うに構成され、前記セパレータは、前記第１の超小型電
気機械デバイスが前記第２の超小型電気機械デバイスと
接触するのを防ぐように構成される、上項１に記載のマ
イクロマシンシステム。 ６．前記第１の超小型電気機械デバイスが前記第２の超
小型電気機械デバイスと接触するのを防ぐための手段を
さらに備える、上項１に記載のマイクロマシンシステ
ム。 ７．前記第１の超小型電気機械デバイスは第１の可撓性
部材（１３０）を備え、前記第１の可撓性部材は、前記
第１のアンカーに取着された第一の端部を有し、前記第
１の可撓性部材は、前記第１の超小型電気機械デバイス
の前記第１の部分に取着され、さらに前記第１の可撓性
部材は、前記第１の超小型電気機械デバイスの前記第１
の部分が前記基板に対して移動することができるように
変形するよう構成され、前記第２の超小型電気機械デバ
イスは第１の可撓性部材（１３０）を備え、前記第２の
超小型電気機械デバイスの前記第１の可撓性部材は、前
記第２のアンカーに取着される第１の端部を有し、前記
第２の超小型電気機械デバイスの前記第１の可撓性部材
は、前記第２の超小型電気機械デバイスの前記第１の部
分に取着され、さらに、前記第２の超小型電気機械デバ
イスの前記第１の可撓性部材は、前記第２の超小型電気
機械デバイスの前記第１の部分が前記基板に対して移動
することができるように変形するよう構成されることか
らなる、上項２に記載のマイクロマシンシステム。 ８．前記セパレータは微細加工されたビームである、上
項５に記載のマイクロマシンシステム。 ９．前記第１の超小型電気機械デバイスは第２の可撓性
部材（１３０）を備え、前記第２の可撓性部材は、前記
第２のアンカーに取着される第１の端部を有し、前記第
２の可撓性部材は前記第１の超小型電気機械デバイスの
前記第１の部分に取着され、前記第２の超小型電気機械
デバイスは第２の可撓性部材（１３０）を備え、前記第
２の超小型電気機械デバイスの前記第２の可撓性部材
は、前記第１のアンカーに取着される第１の端部を有
し、前記第２の超小型電気機械デバイスの前記第２の可
撓性部材は、前記第２の超小型電気機械デバイスの前記
第１の部分に取着されることからなる、上項７に記載の
マイクロマシンシステム。 １０．前記トレンチ内に少なくとも部分的に配置される
第３の超小型電気機械デバイス（１１０）をさらに備
え、前記第３の超小型電気機械デバイスは第１の部分と
第１の可撓性部材とを備え、前記第３の超小型電気機械
デバイスの前記第１の部分は前記基板に対して移動する
ように構成され、前記第３の超小型電気機械デバイスの
前記第１の可撓性部材（１３０）は前記第１のアンカー
に取着される第１の端部を有し、前記第３の超小型電気
機械デバイスの前記第１の可撓性部材は、前記第３の超
小型電気機械デバイスの前記第１の部分に取着され、前
記第３の超小型電気機械デバイスの前記第１の可撓性部
材は、前記第３の超小型電気機械デバイスの前記第１の
部分が前記基板に対して移動することができるように変
形するよう構成されることからなる、上項７に記載のマ
イクロマシンシステム。 【００３０】本発明のマイクロマシンシステムの１実施
態様は、トレンチ(116,512)を画定する基板(111,504)を
備える。第１の超小型電気機械デバイス(110,502）及び
第２の超小型電気機械デバイス(110,502）の少なくとも
一部がトレンチ内に配置される。これらの超小型電気機
械デバイスの各々には、基板に対して移動するよう構成
された第１の部分が組み込まれている。 【００３１】 【発明の効果】本発明によれば、基板上にマイクロマシ
ンを高密度に収容するシステムおよび方法が得られる。

【図面の簡単な説明】 【図１】典型的に配置されたマイクロマシンを含む基板
の一部を示す概略図である。 【図２】図１のマイクロマシンを示す概略図である。 【図３】マイクロマシンの典型的な配置を示す概略図で
ある。 【図４】マイクロマシンの典型的な配置を示す概略図で
ある。 【図５】典型的に配置されたマイクロマシンを含む基板
の一部を示す概略図である。 【符号の説明】 １００ マイクロマシンシステム １１０、５０２ マイクロマシン（超小型電気機械デバ
イス） １１１、５０４ 基板 １１６、５１２ トレンチ １３２ アンカー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート・ジー・ウァルムスレイ アメリカ合衆国カリフォルニア州94306, パロアルト，モアナ・コート・843

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】トレンチ（１１６、５１２）を画定する基
   板（１１１、５０４）と、 前記トレンチ内に少なくとも部分的に配置される第１の
   超小型電気機械デバイス（１１０、５０２）であって、
   前記第１の超小型電気機械デバイスは第１の部分を含
   み、前記第１の部分は前記基板に対して移動するように
   構成されることからなる、第１の超小型電気機械デバイ
   スと、 前記トレンチ内に少なくとも部分的に配置されると共
   に、前記第１の超小型電気機械デバイスに隣接して配置
   される第２の超小型電気機械デバイス（１１０、５０
   ２）であって、前記第２の超小型電気機械デバイスは第
   １の部分を含み、前記第１の部分は前記基板に対して移
   動するように構成されることからなる、第２の超小型電
   気機械デバイスを備える、マイクロマシンシステム（１
   ００）。