JP2005527384A

JP2005527384A - 補強された支持ビームを備える微小電気機械素子および微小電気機械システム（ｍｅｍｓ）内に補強された支持ビームを形成する方法

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Publication number: JP2005527384A
Application number: JP2003518970A
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Inventors: トーマス・ダヴリュー・アイベス
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 2001-08-07
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2005-09-15
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Abstract

微小電気機械システムの基板内に画定される微小電気機械素子（ＭＥＭＤ）は、対象領域を画定する質量素子を含む。またその素子は、基板から離隔して配置される関係にある質量素子を支持する支持ビームを含む。支持ビームは、基板に接続される第１の固定端と、質量素子に接続される第１の遊端とによって画定される第１のビーム部材を含む。支持ビームはさらに、基板に接続される第２の固定端と、質量素子に接続される第２の遊端とによって画定される第２のビーム部材を含む。ビーム部材は互いから離隔して配置される関係にある。第１の交差部材が第１のビーム部材と第２のビーム部材とを接続する。支持ビームは複数の交差部材を含むことが好ましい。２つのそのような支持ビームを用いて、ブリッジ構成で、ＭＥＭＤ内の質量素子を支持することができる。

Description

本明細書において特許請求され、かつ開示される本発明は、微小電気機械システム（Microelectro Mechanical System「ＭＥＭＳ」）に関連し、詳細には補強されたビーム（可撓性ビームとも呼ばれる）を備えるＭＥＭＳと、ＭＥＭＳにおいてビームを補強するための方法とに関連する。

本発明は、微小電気機械システム（「ＭＥＭＳ」）において、浮上した状態の質量を支持するために用いられる構造を対象とする。ＭＥＭＳは、その名称が暗示するように、微小電気機械システムであり、そのシステムは、システム内の環境条件を制御するか、あるいはその環境条件に対応することができる微小機械を構成するための機械的部品および電気的部品（まとめて、微小電気機械部品であり、それらの部品は微小電気機械素子、すなわちMicroelectro Mechanical Device「ＭＥＭＤ」を構成する）を提供する。ＭＥＭＳ内の機械的部品および電気的部品は、通常ミクロン（１×１０^-6メートル）単位の寸法を示す。ＭＥＭＳ素子は通常、システムの環境内の変化を検出するためのマイクロセンサと、マイクロセンサによって検出される変化に基づいて判定を行うインテリジェント部品（たとえば制御論理回路）と、システムがその環境を変更するために用いるマイクロアクチュエータとを含む。例示的なＭＥＭＳ素子は、インクジェットプリンタカートリッジ、自動車のエアバッグを展開する加速度計および慣性誘導システムを含む。ＭＥＭＳは通常、基板から、あるいは基板上に製造され、既知の（ならびに新規に開発された）技術を用いて製造される。ＭＥＭＳを製造するために用いられる主な技術のうちの１つは堆積およびマスク技術であり、それらの技術は、マイクロプロセッサおよびメモリ素子のような半導体素子が製造されるのと概ね同じようにしてＭＥＭＳを製造するために適用される。ＭＥＭＳ製造技術は、堆積された層のうちの１つあるいは複数の層の一部を除去し、それにより機械的あるいは電気的素子のうちの１つあるいは複数の素子を画定するためのフォトエッチングおよび／またはマイクロマシニングも含む。マイクロマシニングは、プロトタイプに対して微調整するためにエキシマレーザのような集束されたイオンビームを用いて実行される場合が多い。

ある特定の微小機械および微小電気機械素子（「ＭＥＭＤ」）は、ビーム（梁）あるいはブリッジによって支持される表面を画定する質量あるいは質量素子を含む。ビームあるいはブリッジは、質量素子がＭＥＭＳ内で周囲を取り巻く構造に対して動くことができるようにする可撓性部材としての役割を果たす。通常、質量素子は、ＭＥＭＤの周囲を取り巻く素子と接触しないように、ビームあるいはブリッジによって支持される。質量素子は、マイクロアクチュエータあるいはマイクロセンサの一部に、および他のタイプのＭＥＭＤ内の部品にすることができる。たとえば、マイクロアクチュエータは、共鳴センサを駆動し、センサがその共鳴周波数で振動できるように構成され得る。他の応用形態では、マイクロアクチュエータを用いて、ある特定のマイクロシステムの場合に必要とされる機械的な出力を生成することができる。この後者の応用形態の一例は、マイクロアクチュエータを用いて、マイクロミラーを動かし、レーザビームを走査することである（たとえば、レーザプリンタの場合など）。したがって、ブリッジあるいはビームによってＭＥＭＳ内に支持される質量素子は、マイクロセンサ部品、あるいはマイクロアクチュエータの部品を含む他の部品を支持することができる「対象領域」を画定する。別法では、質量素子そのものが、コンダクタンス、キャパシタンスあるいは抵抗のような電気的特性を有することができ、それゆえ質量素子そのものがＭＥＭＤ内の能動部品として用いられることができる。

一般的に、ＭＥＭＳ内の質量素子を支持するために用いられるビームあるいはブリッジは、別の表面上に、あるいは２つの他の表面間に質量素子を支持することができるだけの十分な構造的強度を有することが望ましい。図１を参照すると、ＭＥＭＳ１０の一部分の平面図が簡略化された水平断面図として示される。ＭＥＭＳのその部分は、微小電気機械素子の１つの部品１１を示しており、それは片持ち支持されたビーム部分２０によって支持される質量素子１２を含む。ＭＥＭＤ部品１１は周囲を取り巻く基板１６から画定される。これは、たとえばフォトリソグラフィ工程を用いて達成されることができ、その工程では、素子１１と基板１６の残りの部分との間のゾーン１８がエッチングあるいはマイクロマシニングによって除去される。質量素子１２は測定や走査の対象となる対象領域１４を画定する。図１（および以下に説明される他の図面）の縮尺は一定ではなく、従来技術を理解しやすくするように示されている。従来技術のビーム部分２０は、基板１６に接続されるその第１の端部２１から、質量素子１２に取り付けられる場所２３まで延在する中実のビーム（梁）である。これらのＭＥＭＤ部品のビーム部分は、質量素子１２が矢印「Ｘ」によって指示される方向に動くのではなく、図面が描かれている紙面の内外の方向に動くように十分に剛性を有さねばならない（図３で簡単に見直すが、図３は類似の従来の素子を示しており、質量素子１２が矢印「Ｙ」によって指示される方向に動くことが意図されていることを示す）。ビーム部分２０（図１）が「Ｘ」方向（図３）にビームが撓むのを阻止するほど十分に硬くない場合には、質量素子１２が基板１６の内壁２８（図１）と接触するようになる。これにより、質量素子１２が、質量素子１２と側壁２８との間の摩擦に起因して動きがとれなくなれば、センサの読み値が不正確になったり、別の素子を作動できなくなったり、あるいは素子１１が完全に故障したりするようになる。「Ｘ」方向に十分な剛性を与えるための１つの方法は、ビームをかなり幅広に（すなわち、「Ｘ」方向において相対的に大きな寸法に）することである。

しかしながら、ビーム部分２０は、質量素子１２が紙面の内外（図３の「Ｙ」）に比較的自由に振動できるようにするだけの十分な可撓性を持たなければならない。しかしながら、「Ｘ」方向において剛性を提供しながら、「Ｙ」方向において撓むことができるようにするこれらの２つの目標は食い違っている。「Ｘ」方向において剛性を提供するためにビーム部分２０の幅を広くしていく場合の１つの問題は、ビームの質量を増加させ、それにより質量素子１２が動くためにより大きな力が必要になることである。さらに、大きくて重いビームの配設は、素子１１がその１つの部品であるマイクロセンサあるいはマイクロアクチュエータを較正するために複雑な計算の実行を要する。ビーム２０の質量が十分に小さかったなら、これらの計算を行う際にその質量を無視することができる可能性があり、設計作業が大きく簡略化されるであろう。

この問題に対する１つの従来技術の解決手法が図２に示される。図２は、ＭＥＭＳ１０’内のわずかに変更された微小機械素子１１’の部分平面図を示す。素子１１’は、大部分の点において図１に示される素子１１と同じである。それぞれ図１および図２の素子１１と１１’との間の類似の番号を付された部品は概ね同じである。しかしながら、図２の微小機械素子１１’は変更されたビーム部分２０’を有する。ビーム部分２０’は、第１のビーム部材２４と第２の略平行なビーム部材２６とを含み、それにより２つのビーム部材間に開口部２２が画定される。各ビーム部材は厚み「Ｔ」によって規定される。微小機械素子１１’は、さらに図４において側断面図で示される。図４は、素子１１’が如何に動作することができるかを理解しやすくするために提供されており、素子１１’がマイクロセンサである一例を示す。素子１１’の質量素子１２は、物質（電磁物質など）３２および３４を質量素子１２の上下それぞれの表面上に支持する。質量素子１２の上下それぞれの表面に近接して、周囲を取り巻く基板１６内に半導体材料３６および３８が形成される。質量素子１２が「Ｙ」方向に振動するとき、半導体表面３６と３８との間の電気的特性（電流あるいは電圧など）が誘導あるいは変動され得る。この変動が検出され、かつ測定され得る。環境条件（温度など）が素子１１’に影響を及ぼすので、質量素子１２の振動の速度は変更されることになり、質量素子１２の振動の速度が変化する結果として測定される電気的特性が変化することになるので、その速度の変化は半導体３２および３４によって検出され得る。図３を参照すると、図２の従来技術のＭＥＭＳ１０’の等角断面図が示される。図から明らかなように、ビーム部分２０’の各ビーム部材２４および２６はさらに高さ「Ｈ」によっても規定される。

図２〜図４に示される従来技術の設計は、図１に示される従来技術のビーム２０よりもビーム部分２０’の質量を減らし、質量素子１２に対して「Ｙ」方向におけるより大きな可撓性も与える（図３を参照）。しかしながら、「Ｘ」方向において質量素子１２が動くのを防ぐために、ビーム部材２４および２６は比較的厚くなければならない（図２の「Ｔ」）。また、図２および図３に示される設計は、図１に示される設計よりも捩り曲げに対する抵抗を減らし、質量素子１２が軸「Ｚ」を中心に矢印「Ｔ」によって示される方向に回転するのが容易になる。そのような捩り曲げによって、微小機械素子１１’から誤った結果が導かれるようになり、また質量素子１２が基板１６の内壁２８に当たって動きが取れなくなる可能性もある（図１を参照）。捩り曲げは、ビーム部材の厚み「Ｔ」（図２）を増すことにより、あるいはその高さ「Ｈ」（図３）を増すことにより減らされ得るが、これらの解決手法はいずれも、ビームの質量を減らすとともに、「Ｙ」方向においてビームの可撓性を大きくするという目標に対して不利に作用する。

第２のタイプの微小機械素子が図５Ａおよび図５Ｂに示される。図５Ａは、周囲を取り巻く基板４８内に画定されるマイクロアクチュエータ４０の側断面図を示す。素子４０は櫛形ドライブとして知られており、２つのブリッジ部材４１および４３によって基板１６内に支持される質量素子４２を含む。質量素子４２は一連の上側フィンガ４５と、一連の下側フィンガ４４とを支持する。フィンガ４４および４５は、基板４８によって支持されており、それぞれ静止したフィンガ４７および４６と互いに交差指状に組み合わせられる。ブリッジ部材４１および４３は可撓性を有し、フィンガ４６と質量素子４２との間に電圧が印加されるときに質量素子４２、それゆえ支持された一連のフィンガ４４および４５が図５Ｂに示されるように方向「Ａ」に動くことができるように設計される。同様に、質量素子４２とフィンガ４７との間に電圧が印加されるとき、質量素子は逆の方向に動くであろう。電圧を印加することに応答して質量素子４２が動くことは、フィンガの数およびビーム部材４１および４３の曲げ抵抗に比例する。一般的には、できる限り小さな力を用いて微小機械素子を作動させることが望ましいので、素子４０はフィンガの数を増やすことにより、あるいはブリッジ部材４１および４３の質量を減らすことにより、より高い応答性を有するようになされ得る。しかしながら、フィンガの数を増やすには、マイクロマシニングのような追加の製造工程が必要とされ、それはその素子のコストを増し、製造誤差に起因して素子が廃棄されることになる可能性を高める。さらに、より多くのフィンガが追加されるとき、フィンガが適当に組み合わせられなくなり、素子が正確に（あるいは全く）動作しなくなる可能性が高くなる。ブリッジ部材の質量を減らすこの第２の解決手法は、ブリッジ部材の捩り曲げに対する抵抗が不十分のままである可能性があるか、あるいはそれらのブリッジ部材が不均一に変形するようになる可能性があり、そのいずれの場合でも、質量素子４２上に支持されるフィンガ４４および４５が静止したフィンガ４６および４７に入ったまま動かなくなる可能性がある。これにより、素子４０は誤動作するようになるか、場合によっては回復不可能な損傷を受けるようになる場合がある。

それゆえ、類似の従来技術の素子から得られることになる利点を達成するが、それに関連する個々の欠点および損傷を回避するためにＭＥＭＳ内の質量素子を支持するためのビームが必要とされる。

本発明は微小電気機械素子（「ＭＥＭＤ」）を提供し、その素子は１つあるいは複数の支持ビームによって支持される質量素子を含む。支持ビーム（複数可）は第１のビーム部材と第２のビーム部材とを含み、その組み合わせで、周囲を取り巻く基板と接触することなく質量素子が支持される。ビーム部材は交差部材のうちの少なくとも１つ、好ましくは複数に接続され、それらの交差部材がビーム部材を接続し、結果として支持ビームが形成される。結果として形成される支持ビームは比較的小さな質量を有し、しかも意図された移動方向において質量素子の比較的高い可撓性も提供する。また、結果として形成される支持ビームは、意図された移動方向に対して垂直な方向において比較的曲がりにくく、支持ビームの捩り変形に対して比較的高い抵抗も与える。質量素子は、本発明による単一の支持ビームによって片持ち支持されるように支持され得るが、あるいはブリッジ構成の本発明の２つの支持ビームによって支持され得る。

一実施形態では、本発明はＭＥＭＳの基板内に画定される微小電気機械素子を提供する。その微小電気機械素子（「ＭＥＭＤ」）は、たとえばマイクロセンサあるいはマイクロアクチュエータとして用いることができる。ＭＥＭＤは対象領域を画定する質量素子を含む。対象領域は、さらに、微小電気機械素子にその機能を与えるために用いられるような別の部品を支持することができる。またその微小電気機械素子は、質量素子が基板から離隔して配置される態様で質量素子を支持する支持ビームも含む。その支持ビームは、基板に接続される第１の固定端と、質量素子に接続される第１の遊端とによって画定される第１のビーム部材を含む。その支持ビームはさらに、基板に接続される第２の固定端と、質量素子に接続される第２の遊端とによって画定される第２のビーム部材を含み、第２のビーム部材は第１のビーム部材から離隔して配置される。最後に、その支持ビームは、第１のビーム部材と第２のビーム部材とを接続する第１の交差部材を含む。好ましくは、第１のビーム部材、第２のビーム部材、第１の交差部材および質量素子は第１の空隙を画定し、一方、第１のビーム部材、第２のビーム部材、第１の交差部材および基板は第２の空隙を画定する。すなわち、交差部材は、２つのビーム部材、質量素子および基板によって形成される空隙を二分する。１つの構成では、ビーム部材は略平行であり、第１の交差部材はビーム部材に対して略垂直である。別の構成では、第１の交差部材はビーム部材に対してある角度で配置される。第１の交差部材は、ビーム部材の高さ全体にわたってビーム部材に接続され得るか、あるいはビーム部材の高さの一部のみにわたって接続され得る。好ましい実施形態では、微小電気機械素子はさらに、第１のビーム部材と第２のビーム部材とを接続する第２の交差部材を含み、第２の交差部材は第１の交差部材から離隔して配置される。その微小電気機械素子は、ビーム部材を接続する複数の交差部材を含み、各交差部材は互いから離隔して配置されることがさらに好ましい。複数の交差部材が用いられる１つの変形形態では、交差部材のうちの１つが第１の部材のうちの別のものと交差する。さらに別の変形形態では、交差部材がビーム部材の高さ全体にわたってビーム部材を接続するのではなく、交差部材はビーム部材の上側縁部（および／または下側縁部）においてビーム部材を接続する。

本発明の第２の実施形態は、ブリッジ構造であり、質量素子が２つの支持ビーム間に支持されるような微小電気機械素子を提供する。より具体的には、その微小電気機械素子はＭＥＭＳの基板内に画定され、微小電気機械素子（ＭＥＭＤ）は対象領域を画定する質量素子を含む。その質量素子は第１の側面と、その反対にある第２の側面とによって画定される。その微小電気機械素子は、質量素子が基板から離隔して配置される態様で質量素子を支持するブリッジを含む。そのブリッジは、第１の支持ビームと第２の支持ビームとを含む。各支持ビームは第１のビーム部材と第２のビーム部材とを含む。第１および第２のビーム部材は、基板に接続されるそれぞれ第１および第２の固定端によって画定される。第１および第２のビーム部材はさらに、それぞれ第１および第２の遊端によって画定され、それらの遊端は、質量素子の第１および第２の縁部においてそれぞれ質量素子に接続される。各支持ビームの第１および第２のビーム部材は互いから離隔して配置される。また各支持ビームは、各支持ビームの第１および第２のビーム部材を接続する第１の交差部材も含む。

ブリッジ構造を有する微小電気機械素子は、各支持ビームがさらに、各支持ビームの第１および第２のビーム部材を接続する複数の交差部材を含むように構成されることが好ましい。各支持ビーム内の交差部材は互いから離隔して配置される関係にすることができるか、あるいは互いに交差することができる（あるいはそれらの交差部材には、離隔して配置される交差部材と交差する交差部材とを組み合わせて用いることができる）。

本発明の第３の実施形態は、質量素子を備える微小電気機械素子を形成する方法を提供する。その方法は、基板層を堆積するステップと、その後、基板層の少なくとも一部を除去することにより質量素子を形成するステップとを含む。結果として形成される質量素子は、基板と接触しない対象領域を画定する。その基板は、既知の堆積技術を用いて形成される複数の異なる層を含むことができ、基板の部分は、フォトリソグラフィ、ウエットエッチング、ドライエッチング、およびエキシマレーザなどの集束されたイオンビームを用いるマイクロマシニングのような既知の技術を用いて除去され得る。その方法はさらに、基板の少なくとも一部を除去することにより第１および第２のビーム部材を形成することを含む。そのビーム部材は互いから離隔して配置され、それぞれ結果として形成されたビーム部材は基板に接続される第１の固定端と、質量素子に接続される第１の遊端とによって画定される。第１のビーム部材と第２のビーム部材とを接続する交差部材が、基板の少なくとも一部を除去することにより形成される。質量素子、ビーム部材および交差部材を形成するステップは全て、たとえばエッチング工程の場合のように、同時に実行され得る。

上記のように、基板は複数の層として堆積され得る。複数の層のうちの少なくとも１つの層は犠牲酸化膜（形成後に除去可能な酸化物）を含むことができ、複数の層のうちの少なくとも１つの層はポリシリコンを含むことができる。基板の一部を除去して質量素子、ビーム部材および交差部材を形成するステップは、犠牲酸化膜の少なくとも一部をエッチングにより除去して、全てポリシリコンから形成される質量素子、ビーム部材および交差部材を残すことにより実行され得る。１つの変形形態では、交差部材は基板内にホウ素を拡散した領域（ホウ素拡散領域）を含むことができる。ホウ素拡散領域の周囲を取り巻く基板は、たとえば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）で基板をエッチングすることにより除去され得る。

ここで、本発明のこれらの態様および実施形態ならびに他の態様および実施形態が、添付の図面を参照しながら、以下にさらに詳細に記載されるであろう。

本発明は、少なくとも１つの支持ビームによって支持される質量素子を備える微小電気機械素子（「ＭＥＭＤ」）を提供する。本発明のＭＥＭＤにおいて用いられる支持ビームは、２つのビーム部材を接続する１つの交差部材（あるいは複数の交差部材）を含み、それらを組み合わせて、周囲を取り巻く基板と接触することなく質量素子を支持するという点で、従来技術の支持ビームとは異なる。この構成は、良好な可撓性を有し、従来技術の支持ビームと比べて質量が小さく、従来技術の支持ビームよりも捩り曲げに対する抵抗力が大きな、ＭＥＭＤ内の支持ビームを提供する。これらの利点の結果として、質量素子がより正確に動くことができ、ＭＥＭＤを作動させるために必要とされる力を小さくし、素子の故障を減らすことができるようになる。

本発明は微小電気機械素子に関する。この微小電気機械素子という言葉は、ＭＥＭＳ内の１つの部品である任意の素子を意味している。その素子には、純粋に機械的な部品、純粋に電気的な部品あるいはその組み合わせの部品を用いることができる。本発明のＭＥＭＤの共通の特徴は、その素子が質量素子を含み、その質量素子が少なくとも１つの支持ビームによって（通常）基板と接触することなく支持されることである。質量素子は、さらに別の部品を支持するために用いることができる対象領域を画定する。別法では、質量素子そのものがＭＥＭＤ内の能動部品として用いられることができる。たとえば、質量素子は半導体材料から製造され得る。その際、質量素子が動いて、基板内の半導体エリアに近づく（あるいは半導体エリアから遠ざかる）とき、質量素子と半導体エリアとの間の電気的特性（キャパシタンスなど）が変化するであろう。この変化が読み取られ（検出され）、変数を制御するために用いられる。たとえば、質量素子は温度センサの一部にすることができ、その場合、質量素子は周囲の環境内の温度変化に応答して動く。このように動く結果として、素子内の電気的特性の変化を読み取ることができるようになる。その後、その読み取られた電気的特性の変化を制御信号として用いて、周囲の環境への冷却剤の流量などの変数を調整あるいは制御することができる。

本明細書では、用語「基板」は、素子の上下および側面の部分を含み、さらにＭＥＭＤの質量素子および支持ビームに近接するＭＥＭＳの部分を意味するために用いられるであろう。ＭＥＭＳのこれらの基板部分は、既知のフォトリソグラフィ工程、および半導体素子の別の部分の中に１つの構造を画定するために用いられる他の工程を用いて形成される複数の層を含むことができることは理解されよう。

ここで、添付の図面に関して本発明の具体的な例が説明されるであろう。しかしながら、図面が単なる例示にすぎないこと、および本発明が本開示の範囲内に入る全ての実施形態を含むことを意図していることは理解されたい。さらに、以下の図面は一定の縮尺で描かれているのではなく、本発明を理解しやすくするように描かれている。

図６を参照すると、ＭＥＭＳ素子の一部分が等角図で示されており、本発明による微小電気機械素子（「ＭＥＭＤ」）の１つの部品１１０が示される。その部品１１０は基板１１６内に画定される。さらに、支持ビーム１２０によって周囲を取り巻く基板１１６内に支持され、かつそこから離隔して配置される質量素子１１２を、部品１１０は含む。ある特定の応用形態では、質量素子は周囲を取り巻く基板と常に接触していないわけではないが、通常周囲を取り巻く基板に対して動くように構成される。さらに、質量素子は長方形の形状を有し、支持ビーム１２０より幅広であるものとして示されるが、これはそうである必要はない。たとえば、質量素子１１２は支持ビーム１２０と同じ幅に、あるいはそれよりも狭くすることができるであろう。図７は図６の支持ビーム１２０の部分平面図を示す。支持ビーム１２０は、基板１１６に接続される第１の固定端１２３と、質量素子１１２に接続される第１の遊端１２７（図６）とによって画定される第１のビーム部材１２４を含む。支持ビーム１２０はさらに、基板１１６に接続される第２の固定端１２５（図７）と、質量素子１１２に接続される第２の遊端１２９（図６）とによって画定される第２のビーム部材１２６を含む。ビーム部材１２４および１２６の「遊端」によって、それらがこの端部において接続されずに終端することを意味するのではなく、その端部が「Ｙ」方向に自由に動くことをのみを意味している。図６から明らかなように、第１のビーム部材１２４は第２のビーム部材１２６から離隔して配置される。ビーム部材１２４および１２６は互いに略平行であるように示されるが、これはそうである必要はなく、ビーム部材はそれらの固定端１２３および１２５（図７）に向かって、あるいはそれらの遊端１２７および１２９（図６）に向かって互いに近寄ることができる。さらに、ビーム部材１２４および１２６は直線であるように示されるが、それらは曲げられることもできる。たとえば、ビーム部材１２４および１２６は、それらの中心に向かって互いから離れるように湾曲することができる。

図６および図７の支持ビーム１２０はさらに、第１のビーム部材１２４と第２のビーム部材１２６とを接続する第１の交差部材１２８を含む。支持ビーム１２０は複数の交差部材１２８を含むことが好ましい。図７から明らかなように、交差部材１２８は、支持部材１２４および１２６の内側表面「Ｉ」に接続される。図７Ａは、図７に示される支持ビーム１２０の一部の断面を示す。この例では、交差部材１２８は、ビーム部材１２４の高さ「Ｈ」全体にわたってビーム部材（図７Ａには、ビーム部材１２４のみを見ることができる）に延在する。しかしながら、これはそうである必要はない。たとえば、図１１を簡単に参照すると、支持ビーム１２０の図７Ａに示される図と同様の、本発明によるＭＥＭＤにおいて用いることができる支持ビーム３４０の側断面図が示される。しかしながら、図１１の支持ビーム３４０では、交差部材３４８は第１のビーム部材３４４の高さＨ１全体には延在せず、高さの一部Ｈ２のみに延在する。図１１の交差部材３４８は第１のビーム部材３４４の下側に向けて配置されるように示されるが、交差部材３４８はビーム部材３４４の上側に向けて配置されることもでき、あるいはビーム部材３４４の上側と下側との間の任意の場所に配置され得る。

図６を参照すると、第１のビーム部材１２４、第２のビーム部材１２６、第１の交差部材１２８および質量素子１１２が第１の空隙１１７を画定することが明らかである。同様に、第１のビーム部材１２４、第２のビーム部材１２６、第２の交差部材１２８および基板１１６が第２の空隙１１８を画定する。これは図７および図７Ａを見ることによっても明らかになる。空隙１１７および１１８（図６）は、交差部材１２８が図６において定義される「Ｘ−Ｙ」面に略平行に向けられる結果として画定される。しかしながら、交差部材１２８はＸ−Ｙ面内に向けられる必要はなく、他の方向に向けられることができる。たとえば、図１４および図１５に示される１つの変形形態では、交差部材はＸ−Ｙ面（図６において定義される）内に向けられる。図１４を参照すると、本発明によるＭＥＭＤ内で用いることができる支持ビーム４４０の側断面図が示される。図１４の図は、支持ビーム１２０の図７Ａに示される図と類似である。しかしながら、図１４の支持ビーム４４０では、交差部材４４８は基板４１６における第１の固定端４４１から質量素子４１２における第２の遊端まで延在する。図１５は図１４の支持ビームの端面断面図を示す。図から明らかなように、交差部材４４８は、第１のビーム部材４４４および第２のビーム部材４４６の内側表面「Ｉ」において各ビーム部材に接続される。こうして、この向きでは、第１のビーム部材４４４、第２のビーム部材４４６、交差部材４４８、質量素子４１２および基板４１６が第１の空隙４５１および第２の空隙４５３を画定する。

図７および図７Ａに示されるように、第１のビーム部材１２４および第２のビーム部材１２６は略平行であり、交差部材１２８はビーム部材に対して略垂直である。しかしながら、交差部材はビーム部材に対して垂直である必要はない。たとえば、図８を参照すると、本発明によるＭＥＭＳ内のＭＥＭＤの１つの部品２００が平面図で示される。図８に示される図は、ＭＥＭＤ部品１００の場合に図７に示される図に類似である。図８のＭＥＭＤ部品２００は、支持ビーム２２０によって基板２１６から離隔して配置される関係で支持される質量素子２１２を含む。支持ビーム２２０は、基板２１６に接続される第１の固定端２２３と、質量素子２１２に接続される第１の遊端２２７とによって画定される第１のビーム部材２２４を含む。支持ビーム２２０はさらに、基板２１６に接続される第２の固定端２２５と、質量素子２１２に接続される第２の遊端２２９とによって画定される第２のビーム部材２２６を含む。支持ビーム２２０はさらに、ビーム部材２２４と２２６と接続し、かつビーム部材を互いから離隔して配置される関係に保持する交差部材２２８を含む。しかしながら、図７の交差部材１２８がビーム部材１２４および１２６に対して略垂直であるのに対して、図８の交差部材２２８はビーム部材２２４および２２６に対してある角度に向けられる。そのような構成は、「Ｘ」方向において支持ビーム２２０が撓むことに対してさらに大きな抵抗力を与えることができ、「Ｚ」軸を中心にした捩り回転に対してさらに大きな抵抗力を与えることができる。

図８の支持ビーム２２０の交差部材２２８は、ビーム部材２２４および２２６の内側表面「Ｉ」において互いに交差するように示されるが、これはそうである必要はない。たとえば、図９を参照すると、本発明による支持ビーム２４０が部分平面図で示される。図９の支持ビーム２４０は図８の支持ビーム２２０に類似であるが、以下の点が異なる。図９で、交差部材２４８はまたビーム部材２４４および２４６の内側表面「Ｉ」に対してある角度に向けられるが、交差部材２４８はビーム部材２４４および２４６に取り付けられる場所において互いに交差しない。さらに別の変形形態が図１０に示されており、本発明による支持ビーム３２０の部分平面図が示されており、それは図９の支持ビーム２４０に類似である。しかしながら、図１０の支持ビーム３２０では、第１および第２のビーム部材３２４および３２６に接続される交差部材３２８は、ビーム部材の内側表面「Ｉ」から離れた場所において互いに交差する。

図６、図８、図９、図１０および図１４に示される本発明の支持ビームは全て、ポリシリコンのような物質からなる複数の堆積物（あるいは単一の堆積物）から形成され得る。その後、ポリシリコン物質は、フォトリソグラフィおよびエッチングのような工程を用いて選択的に除去され、それによりビーム部材および交差部材を画定する空隙を形成することができる。別法では、中実の支持ビーム（たとえば、図１の支持ビーム２０）が最初に材料の単一の堆積物によって形成されことができ、その後、中実のビームの一部がマイクロマシニング（たとえば、エキシマレーザを用いることによる）を用いて除去され、本発明の支持ビームを形成することができる。しかしながら、交差部材は、ビーム部材の周囲を取り巻く材料内に選択的な拡散領域を用いて形成することもできる。これが図１２および図１３に例示されており、それがここで詳細に記載されることになる。

図１２は本発明の支持ビーム４２０の部分側断面図を示す。図１２に示される図は図７に示される図に類似である。図１２の支持ビーム４２０が図１３において端面断面図で示される。これらの図を合わせて説明する。支持ビーム４２０は第１のビーム部材４２４と、離隔して配置される関係にある第２のビーム部材４２６とを含み、それによりビーム部材の内側表面「Ｉ」間に空隙４２１が画定される。ビーム部材４２４および４２６は、上側交差部材４３０によって、その上側縁部４２５において互いに接続される。同様に、ビーム部材４２４および４２６は、下側交差部材４２８によって、その下側縁部４２７において互いに接続される。図１２から明らかなように、交差部材４２８および４３０は、上記の例の交差部材（たとえば、図７に示される交差部材１２８）と比べると、断面が相対的に小さい。ビーム部材４２８および４３０の断面が小さいことにより、支持ビーム４２０全体の質量を減らすことができる。さらに、それぞれの外側縁部４２７および４２５に交差部材４２８および４３０を配置することにより、「Ｚ」軸を中心にした支持ビーム４２０の捩り回転に対する抵抗力を高めることができる。

図１２および図１３の支持ビーム４２０は以下のように形成され得る。まず、第１の酸化物層が堆積される。第１のホウ素拡散領域が第１の酸化物層内に配置され、第１のホウ素拡散領域が下側交差部材４２８を画定する。その後、酸化物の第２の層が酸化物の第１の層上に形成される。酸化物の第２の層は空隙エリア４２１を画定する。その後、第２の酸化物層に隣接してポリシリコンが配置され、第１のビーム部材４２４および第２のビーム部材４２６を形成する。そのポリシリコンは、下側交差部材４２８がビーム部材の下側縁部４２７においてビーム部材４２４および４２６に接続されるように、第１のホウ素拡散領域に結合される。その後、第２のホウ素拡散領域が、第２の酸化物層の上側表面内と、ビーム部材４２４および４２６の上側縁部内とに配置される。第２のホウ素拡散領域は上側交差部材４３０を画定する。その後、第１および第２の酸化物層がエッチングにより除去され（濃度依存性エッチングを用いることが好ましい）、ビーム部材４２４および４２６、ならびに交差部材４２８および４３０を残すことができる。

これまで、全ての例が、支持ビームによって片持ち支持されるように支持される質量素子を備えるＭＥＭＤのみを示してきたが、本発明が、質量素子がブリッジ構造によって支持されるＭＥＭＤにも同じく当てはめることができることは理解されたい。そのようなＭＥＭＤの一例が図１６に示される。図１６は、本発明によるＭＥＭＤ５００の平面図を示す。そのＭＥＭＤは対象領域５１４を画定する質量素子５１２を含み、その質量素子は第１の側面５１３と、その反対側にある第２の側面５１５とによって画定される。ＭＥＭＤ５００はさらに、基板５１６から離隔して配置される関係にある質量素子５１２を支持するブリッジを含む。そのブリッジは、第１の支持ビーム５２０と第２の支持ビーム５４０とを含む。第１の支持ビーム５２０は、基板５１６に接続される第１の固定端５２１と、第１の側面５１３において質量素子５１６に接続される第１の遊端５２５とによって画定される第１のビーム部材５２４を含む。第１の支持ビーム５２０はさらに、基板５１６に接続される第１の固定端５２３と、第１の側面５１３において質量素子５１６に接続される第１の遊端５２７とによって画定される第２のビーム部材５２６を含む。同様に、第２の支持ビーム５４０は、基板５１６に接続される第１の固定端５４１と、第２の側面５１５において質量素子５１６に接続される第１の遊端５４５とによって画定される第１のビーム部材５４４を含む。第２の支持ビーム５４０はさらに、基板５１６に接続される第１の固定端５４３と、第２の側面５１５において質量素子５１６に接続される第１の遊端５４７とによって画定される第２のビーム部材５４６を含む。各支持ビーム５２０および５４０の第１のビーム部材および第２のビーム部材は、互いから離隔して配置される。また、第１の支持ビーム５２０は、第１のビーム部材５２４と第２のビーム部材５２６とを接続する第１の交差部材（好ましくは、複数の交差部材）５２８も含む。同様に、第２の支持ビーム５４０は、第１のビーム部材５４４と第２のビーム部材５４６とを接続する第２の交差部材（好ましくは、複数の交差部材）５４８も含む。

図１６の交差部材５２８および５４８は図７の交差部材１２６と類似であるように示されるが、図８、図９、図１０、図１１、図１２および図１４に関して先に記載された別の交差部材構成のうちの任意のものを、図１６のＭＥＭＤ５００において用いることができることは理解されよう。

また本発明は、図６および図１６のそれぞれ質量素子１１２および５１２に類似の質量素子を含む微小電気機械素子（「ＭＥＭＤ」）を形成する方法も提供する。その方法は、図６および図１６のそれぞれ基板１１６あるいは５１６のような基板層を配設するステップを含む。上記のように、「基板層」は実際には、ＭＥＭＤの上下および側面にある構造を含むことができる複数の異なる層を含むことができる。質量素子が、基板層の少なくとも一部を除去することにより形成される。結果として形成される質量素子は、基板と接触しないことが好ましい対象領域（図１６の５１４など）を画定する。第１のビーム部材（図６の１２４など）が、基板の少なくとも一部を除去することにより形成される。結果として形成される第１のビーム部材は、基板に接続される第１の固定端（図７の固定端１２３など）と、質量素子に接続される第１の遊端（図６の遊端１２７など）とによって画定される。同様に、第２のビーム部材（図６の１２６など）が、基板の少なくとも一部を除去することにより形成される。結果として形成される第２のビーム部材は、基板に接続される第１の固定端（図７の固定端１２５など）と、質量素子に接続される第１の遊端（図６の遊端１２９など）とによって画定される。ビーム部材が形成された後に、それらは互いに離隔して配置される関係にある。その方法はさらに、基板の少なくとも一部を除去することにより第１の交差部材（図６の交差部材１２８など）を形成することを含む。第１の交差部材は第１のビーム部材と第２のビーム部材とを接続する。その方法は、ビーム部材を接続する複数の交差部材を形成することを含むことが好ましい。

上記のステップは記述される順序で順に実行される必要がないことは理解されたい。たとえば、質量素子、ビーム部材および交差部材は全て、単一のフォトリソグラフィおよびエッチング工程によって同時に基板から形成され得る。別法では、部品は、フォトリソグラフィ工程およびマイクロマシニング工程の組み合わせによって形成され得る。マイクロマシニング工程は、エキシマレーザのような集束されたイオンビームを用いて、基板の一部を除去し、質量素子、ビーム部材および交差部材のような部品を形作ることを含むことができる。同様に、基板は数多くの異なる堆積工程を用いて形成されることができ、その中のあるものは、質量素子、ビーム部材および交差部材が形成された後に実行され得る。たとえば、基板は複数の層として堆積されることができ、その層のうちの少なくとも１つは犠牲酸化膜を含み、その層のうちの少なくとも１つはポリシリコンを含む。この場合、質量素子、第１のビーム部材、第２のビーム部材および交差部材はポリシリコンから形成されることができ、犠牲酸化膜は、質量素子が基板の残りの部分から離れて浮上した状態になるようにエッチングにより除去され得る。さらに、質量素子、ビーム部材および交差部材そのものが複数の堆積層から形成され得る。たとえば、ＭＥＭＤが温度センサであるとき、質量素子および支持ビームは２つの異なる物質から形成され、バイメタルストリップ（バイメタルの細片）を形成することができる。

上記の発明は、構造的および方法的特徴に関して特有のあるいは一般的な用語で記載されてきたが、本明細書に開示される手段は本発明を有効にする好ましい形態を含むので、本発明が図示され、記載される具体的な特徴に限定されないことは理解されたい。それゆえ、本発明は、均等論に従って適切に解釈される添付の特許請求項の妥当な範囲内にある形態あるいは変更形態のうちの任意のものにおいて特許請求される。

１つのタイプの従来技術の片持ち支持された支持ビームを示す、ＭＥＭＳ素子の水平断面図である。図１のＭＥＭＳ素子であるが、別のタイプの従来技術の片持ち支持された支持ビームを示す水平断面図である。図２のＭＥＭＳ素子の等角断面図である。図２のＭＥＭＳ素子の側断面図である。別のＭＥＭＳ素子のための従来技術のブリッジ支持を示す、別のＭＥＭＳ素子の側断面図である。作動した位置の図５Ａに示されるＭＥＭＳ素子の図である。本発明の第１の実施形態による、支持ビームによって支持されるＭＥＭＳ素子の等角図である。図６に示される支持ビームの一部分の平面図である。図６に示される支持ビームの側断面図である。本発明の第２の実施形態による、支持ビームによって支持されるＭＥＭＳ素子の平面図である。本発明による、図８に示される支持ビームに関する１つの変形形態を示す、ＭＥＭＳ素子支持ビームの一部分の平面図である。本発明による、図８および図９に示される支持ビームに関する１つの変形形態を示す、ＭＥＭＳ素子支持ビームの一部分の平面図である。本発明による、図７Ａに示される支持ビームに関する１つの変形形態を示す、ＭＥＭＳ素子支持ビームの一部分の側断面図である。本発明の第３の実施形態による、ＭＥＭＳ素子支持ビームの一部分の側断面図である。図１２に示される支持ビームの正面断面図である。本発明の第４の実施形態による、ＭＥＭＳ素子支持ビームの一部分の側断面図である。図１４に示される支持ビームの正面断面図である。本発明による、２つの支持ビームによって支持されるブリッジ構成で構成されるＭＥＭＳ素子の平面図である。

Claims

微小電気機械システムの基板内に画定される微小電気機械素子であって、１つの対象領域を画定する質量素子と、前記質量素子が前記基板から離隔して配置されるように前記質量素子を支持する支持ビームとを含み、
さらに、該支持ビームは、
前記基板に接続される第１の固定端及び前記質量素子に接続される第１の遊端とによって画定される第１のビーム部材と、
前記基板に接続される第２の固定端及び前記質量素子に接続される第２の遊端とによって画定される第２のビーム部材であって、前記第１のビーム部材から離隔して配置される第２のビーム部材と、
前記第１のビーム部材と前記第２のビーム部材とを接続する第１の交差部材とを含むことを特徴とする微小電気機械素子。
前記第１のビーム部材、前記第２のビーム部材、前記第１の交差部材および前記質量素子は第１の空隙を画定し、また前記第１のビーム部材、前記第２のビーム部材、前記第１の交差部材および前記基板は第２の空隙を画定することを特徴とする請求項１に記載の微小電気機械素子。
前記第１のビーム部材、前記第２のビーム部材、前記第１の交差部材、前記質量素子および前記基板は第１の空隙と第２の空隙とを画定することを特徴とする請求項１に記載の微小電気機械素子。
前記第１のビーム部材および前記第２のビーム部材は略平行であり、前記第１の交差部材は前記ビーム部材に対して略垂直であることを特徴とする請求項１に記載の微小電気機械素子。
前記第１のビーム部材および前記第２のビーム部材は略平行であり、前記第１の交差部材は前記ビーム部材に対してある角度で配置されることを特徴とする請求項１に記載の微小電気機械素子。
前記ビーム部材はそれぞれ他のビームの内側表面に対面する内側表面によって画定され、前記第１の交差部材は各ビーム部材の前記内側表面に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の微小電気機械素子。
前記ビーム部材はそれぞれ高さによって規定され、前記第１の交差部材は前記高さ全体にわたって前記ビーム部材に接続されることを特徴とする請求項１に記載の微小電気機械素子。
前記ビーム部材はそれぞれ高さによって規定され、前記第１の交差部材は前記高さ全体の一部のみにわたって前記ビーム部材に接続されることを特徴とする請求項１に記載の微小電気機械素子。
前記第１のビーム部材と前記第２のビーム部材とを接続する第２の交差部材をさらに含み、
該第２の交差部材は前記第１の交差部材から離隔して配置されることを特徴とする請求項１に記載の微小電気機械素子。
前記第１のビーム部材と前記第２のビーム部材とを接続する第２の交差部材をさらに含み、
該第２の交差部材は前記第１の交差部材と交差することを特徴とする請求項１に記載の微小電気機械素子。
前記ビーム部材はそれぞれ上側縁部と下側縁部とによって画定され、
前記第１の交差部材は、前記上側縁部あるいは前記下側縁部のうちの一方において前記ビーム部材を接続することを特徴とする請求項１に記載の微小電気機械素子。
微小電気機械システムの基板内に画定される微小電気機械素子であって、
一つの対象領域を画定する質量素子であって、第１の側面と、その反対側にある第２の側面とによって画定される質量素子と、
前記質量素子が前記基板から離隔して配置されるように前記質量素子を支持するブリッジであって、該ブリッジは第１の支持ビームと第２の支持ビームとを含み、
該支持ビームはそれぞれ、
前記基板に接続される第１の固定端と、前記質量素子に接続される第１の遊端とによって画定される第１のビーム部材と、
前記基板に接続される第２の固定端と、前記質量素子に接続される第２の遊端とによって画定される第２のビーム部材であって、前記第１のビーム部材から離隔して配置される第２のビーム部材と、
前記第１のビーム部材と前記第２のビーム部材とを接続する第１の交差部材とを含み、
前記第１の支持ビームの遊端は前記第１の側面において前記質量素子に接続され、前記第２の支持ビームの遊端は前記第２の側面において前記質量素子に接続されることを特徴とする微小電気機械素子。
前記各支持ビームはさらに、前記各第１のビーム部材と前記各第２のビーム部材とを接続する第２の交差部材を含み、前記各支持ビームにおける前記第２の交差部材は、前記各支持ビームにおける前記第１の交差部材から離隔して配置されることを特徴とする請求項１２に記載の微小電気機械素子。
前記各支持ビームはさらに、前記各第１のビーム部材と前記各第２のビーム部材とを接続する第２の交差部材を含み、前記各支持ビームにおける前記第２の交差部材は、前記各支持ビームにおける前記第１の交差部材と交差することを特徴とする請求項１２に記載の微小電気機械素子。
質量素子を含む微小電気機械素子を形成する方法であって、
基板層を堆積すること、
前記基板層の少なくとも一部を除去することにより前記質量素子を形成することであって、結果として形成される前記質量素子が前記基板と接触しない対象領域を画定するように、質量素子を形成すること、
前記基板の少なくとも一部を除去することにより第１のビーム部材を形成することであって、結果として形成される前記第１のビーム部材が、前記基板に接続される第１の固定端と前記質量素子に接続される第１の遊端とによって画定されるように、第１のビーム部材を形成すること、
前記基板の少なくとも一部を除去することにより第２のビーム部材を形成することであって、結果として形成される前記第２のビーム部材が、前記基板に接続される第２の固定端と前記質量素子に接続される第２の遊端とによって画定され、前記第２のビーム部材が前記第１のビーム部材から離隔して配置されるように、第２のビーム部材を形成すること、および
前記基板の少なくとも一部を除去することにより交差部材を形成することであって、前記第１の交差部材が前記第１のビーム部材と前記第２のビーム部材とを接続するように、交差部材を形成することを含むことを特徴とする、微小電気機械素子を形成する方法。
前記基板は複数の層として堆積され、該複数の層のうちの少なくとも１つは犠牲酸化膜を含み、
前記複数の層のうちの少なくとも１つはポリシリコンを含み、
前記質量素子、前記第１のビーム部材、前記第２のビーム部材および前記第１の交差部材は前記ポリシリコンから形成されることを特徴とする請求項１５に記載の微小電気機械素子を形成する方法。
前記基板は複数の層として堆積され、前記第１の交差部材は前記基板内のホウ素を拡散した領域を含むことを特徴とする請求項１５に記載の微小電気機械素子を形成する方法。
前記質量素子、前記第１のビーム部材、前記第２のビーム部材および前記交差部材のうちの少なくとも一部は、集束されたイオンビームを用いて形成されることを特徴とする請求項１５に記載の微小電気機械素子を形成する方法。
前記質量素子、前記第１のビーム部材、前記第２のビーム部材および前記交差部材の前記形成時に、第１の空隙が形成され、前記第１のビーム部材、前記第２のビーム部材および前記交差部材の前記形成時に、前記基板によってさらに画定される第２の空隙が形成されることを特徴とする請求項１５に記載の微小電気機械素子を形成する方法。
前記質量素子、前記第１のビーム部材、前記第２のビーム部材および前記交差部材の前記形成時に、前記基板によってさらに画定される第１の空隙が形成され、前記第１のビーム部材、前記第２のビーム部材および前記交差部材の前記形成時に、前記基板によってさらに画定される第２の空隙が形成されることを特徴とする請求項１５に記載の微小電気機械素子を形成する方法。