JP2009507343A - 微小空洞ｍｅｍｓデバイス及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 微小空洞ＭＥＭＳデバイス及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 微小空洞（４０）内部で、少なくとも１つの誘導要素により導かれて自由に移動する要素（１４０）を有するＭＥＭスイッチを説明する。スイッチは、それぞれが好ましくはパーマロイ製の金属磁心（１８０、２００）を有する上部誘導コイル（１７０）及び随意の下部誘導コイル（１９０）と、微小空洞（４０）と、やはり磁性材料製であることが好ましい自由移動スイッチング要素（１４０）とから成る。スイッチングは、上部コイルに電流を流してコイル要素内に磁場を誘起することにより達成される。磁場は、自由移動磁気要素を上方に引き寄せて２つの開いた配線（Ｍ＿１、Ｍ＿ｒ）を短絡させて、スイッチを閉じる。電流の流れが停止するか又は逆向きになると、自由移動磁気要素は重力により微小空洞の底に落下して戻り、配線を開く。チップが正しい方位で取り付けられないときは、重力は利用できない。その場合には、自由移動スイッチング要素を元の位置に引き戻して保持するために、下部コイルが必要になる。
【選択図】 図１
【解決手段】 微小空洞（４０）内部で、少なくとも１つの誘導要素により導かれて自由に移動する要素（１４０）を有するＭＥＭスイッチを説明する。スイッチは、それぞれが好ましくはパーマロイ製の金属磁心（１８０、２００）を有する上部誘導コイル（１７０）及び随意の下部誘導コイル（１９０）と、微小空洞（４０）と、やはり磁性材料製であることが好ましい自由移動スイッチング要素（１４０）とから成る。スイッチングは、上部コイルに電流を流してコイル要素内に磁場を誘起することにより達成される。磁場は、自由移動磁気要素を上方に引き寄せて２つの開いた配線（Ｍ＿１、Ｍ＿ｒ）を短絡させて、スイッチを閉じる。電流の流れが停止するか又は逆向きになると、自由移動磁気要素は重力により微小空洞の底に落下して戻り、配線を開く。チップが正しい方位で取り付けられないときは、重力は利用できない。その場合には、自由移動スイッチング要素を元の位置に引き戻して保持するために、下部コイルが必要になる。
【選択図】 図１
Description
本発明は、誘導磁気力に基づくスイッチング機構を有する微小機械（ＭＥＭ）デバイス及びその製造方法に関する。
ＭＥＭスイッチは、それらの低挿入損失及び優れたオン／オフ電気特性のゆえに、従来のトランジスタ・デバイスよりも優れている。この種のスイッチは、特に高周波数領域において、用途が広がっている。
一例として、Ｐｏｎｄによる特許文献１は、エネルギー変換装置におけるエネルギー損失を減らすＭＥＭスイッチを記述しているが、そこでＭＥＭデバイスは、ＡＣ−ＡＣコンバータ、ＡＣ−ＤＣコンバータ、ＤＣ−ＡＣコンバータ、マトリックス・コンバータ、モータ・コントローラ、共鳴モータ・コントローラ及び類似のデバイスのスイッチ切替えを行う。
一例として、Ｐｏｎｄによる特許文献１は、エネルギー変換装置におけるエネルギー損失を減らすＭＥＭスイッチを記述しているが、そこでＭＥＭデバイスは、ＡＣ−ＡＣコンバータ、ＡＣ−ＤＣコンバータ、ＤＣ−ＡＣコンバータ、マトリックス・コンバータ、モータ・コントローラ、共鳴モータ・コントローラ及び類似のデバイスのスイッチ切替えを行う。
当技術分野においては、多くの異なる用途において最適に機能するように効果的に適合させた様々な構成を用いて設計されたＭＥＭスイッチが知られている。
例えば、Ｃｈｏｗ他による特許文献２は、図１８に示すカンチレバー型のＭＥＭスイッチを記述しているが、これは（１）上板７１、（２）下板１４、（３）下部コンタクト１９、（４）上部コンタクト２９、（５）相互接続プラグ２７及び（６）カンチレバー７２からなる。上板７１と下板１４の間に電流が流れるとき、静電力が生じ、下板１４の方向へ上板７１を引き寄せてカンチレバー７２を曲げ、２つのコンタクト・ポイント１９と２９を接触させる。
例えば、Ｃｈｏｗ他による特許文献２は、図１８に示すカンチレバー型のＭＥＭスイッチを記述しているが、これは（１）上板７１、（２）下板１４、（３）下部コンタクト１９、（４）上部コンタクト２９、（５）相互接続プラグ２７及び（６）カンチレバー７２からなる。上板７１と下板１４の間に電流が流れるとき、静電力が生じ、下板１４の方向へ上板７１を引き寄せてカンチレバー７２を曲げ、２つのコンタクト・ポイント１９と２９を接触させる。
別の構成は、Ｖｏｌａｎｔ他による、同一譲受人に譲渡された特許文献３に記述されているように、トーション・ビームを用いる。垂直トーション型微小電子機械スイッチは、側面図及び上面図がそれぞれ図１９（Ａ）及び（Ｂ）に示される。この図は、５つの重要な要素、即ち（１）可動コンタクト２０、（２）固定コンタクト３０、（３）固定第１制御電極４０、（４）可撓性第２制御電極８０及び５０Ａ、及び（５）トーション・ビーム６０からなるスイッチを示す。電極４０と５０は、それらの間にＤＣ電圧が印加されるとき互いに引き寄せ合ってトーション・ビーム６０を屈曲させる。可動コンタクトはトーション・ビーム６０に結合しているので、同様に下方に動いて固定コンタクト３０に接触する。
さらに別の構成においては、微小電子機械誘導結合力スイッチが同一譲受人に譲渡された特許文献４に記述されており、実例として図２０に示される。このＭＥＭデバイスは少なくとも５つの要素、即ち（１）可動コイル・アセンブリ１０、（２）ピボット・ピン７５の回りに回転する可動誘導コイル２０及び３０、（３）固定コイル４０及び５０、（４）くし型駆動部８および９、及び（５）可動誘導コイル２０及び３０に結合した導電体、２５，３５からなる。コイルの結合力（２０及び４０、並びに３０及び５０）は、くし型駆動部８及び９により調節されるアセンブリの位置に応じて、無視できるか又は非常に強くなり得る。完全に結合した状態においては、コイル４０に流れ込む電流は誘導コイル２０内に電流を誘導する。誘導コイル２０と３０は相互接続しているので、同じ電流がコイル３０を流れることになり、これが固定コイル５０内に電流を誘導する。
さらに進んだ構成は、Ｙｏｒｋ他による特許文献５に記述されており、図２１に示される容量膜型ＭＥＭデバイスである。その中に示されるＭＥＭスイッチは４つの基本要素、即ち（１）上部金属電極１０２、（２）下部金属電極１０４、（３）絶縁体膜１０８、及び（４）金属キャップ１１０からなる。ＤＣ電圧電位が１０２と１０４の間に印加されると、電極１０２は下方に曲がり、金属キャップ１１０と接触してスイッチを閉じる。
微小ミラーを動かすための角度変位をもたらす磁気的結合がＰａｎ他による特許文献６に説明されている。このアセンブリは、それぞれ斜視図及び側面図を示す図２２（Ａ）及び（Ｂ）に示される。これは３つの基本要素、即ち（１）反射ミラー４４、（２）方位ミラー４３、及び（３）パーマロイ材料４４１及び４３１からなる。電流がアクチュエータ４６を通過するとき、２つのパーマロイ要素は磁場を誘起し、反発力を生成してミラーを基板から離れる方向に曲げる。反射ミラー４４及び方位ミラー４３の両方は、４２ａを経由してガラス又はシリコン基板４１上に支持される。
他の関連特許は次の通りである。
Ｙｉ他による特許文献７は、それぞれが異なる量のパーマロイ又は他の磁性材料を有する少なくとも２つのヒンジ・フラップによる、磁気的作動を利用した微小電子機械システムを記述している。
Ｊｕｄｙ他による特許文献８は、カンチレバー要素を有する磁気的微小アクチュエータを記述しているが、そのカンチレバー要素は、要素の方位、及びカンチレバーの１つ又は複数の領域に配置された磁気的活性材料の少なくとも１つの層の方位を変化させることのできる、少なくとも１つの機械的連結具により支持される。
Ｗｕ他による特許文献９は、複数のラッチ機構を含む微小スイッチ・アセンブリについて記述している。
Ｙｉ他による特許文献７は、それぞれが異なる量のパーマロイ又は他の磁性材料を有する少なくとも２つのヒンジ・フラップによる、磁気的作動を利用した微小電子機械システムを記述している。
Ｊｕｄｙ他による特許文献８は、カンチレバー要素を有する磁気的微小アクチュエータを記述しているが、そのカンチレバー要素は、要素の方位、及びカンチレバーの１つ又は複数の領域に配置された磁気的活性材料の少なくとも１つの層の方位を変化させることのできる、少なくとも１つの機械的連結具により支持される。
Ｗｕ他による特許文献９は、複数のラッチ機構を含む微小スイッチ・アセンブリについて記述している。
製造工業において依然として欠けており必要であるのは、ＣＭＯＳ製造技術に適合し、しかし覆うことが難しく適切に平坦化することさえも困難な大きな開放空洞を必要としない、低価格で高信頼性のＭＥＭスイッチである。このＭＥＭスイッチは、ヒンジを有しない、即ち恒久的で信頼性の高いスイッチングを実現するために機械的可動部がないことが工業上さらに必要である。
それゆえに、本発明の１つの目的は、微小空洞ＭＥＭＳ（以後ＭＣ−ＭＥＭＳ）及びそのデバイスの、ＣＭＯＳ半導体チップ製造ラインに完全に組み込むことができる、製造方法を提供することである。
別の目的は、大きな開放表面空洞を必要としないＭＣ−ＭＥＭスイッチを提供することである。
さらに別の目的は、真空中に封入され、可動の機械的ヒンジ要素を有しない、高信頼性及び耐久性のＭＣ−ＭＥＭＳを提供することである。
別の目的は、大きな開放表面空洞を必要としないＭＣ−ＭＥＭスイッチを提供することである。
さらに別の目的は、真空中に封入され、可動の機械的ヒンジ要素を有しない、高信頼性及び耐久性のＭＣ−ＭＥＭＳを提供することである。
本発明の一つの態様において、基板により支持された微小電子機械（ＭＥＭ）スイッチが提供されるが、これは、基板内部の空洞と、空洞内で自由に移動し少なくとも１つの誘導要素で作動されるスイッチング要素とを含み、第１の位置においてスイッチング要素は２つの導電配線を電気的に結合させ、第２の位置においてスイッチング要素は２つの導電配線を切り離す。
本発明の別の態様において、基板上に微小電子機械スイッチを形成する方法が提供されるが、この方法は、基板上に磁心を囲む誘導コイルを形成するステップと、基板内に、磁心と実質的に整列する開口を有する微小空洞をエッチング形成するステップと、微小空洞内部を自由に移動する磁気スイッチング要素を形成するステップとを含み、ここで、磁気スイッチング要素は誘導コイルで作動されたとき第１の位置へ移動し、非作動にされたとき第２の位置へ移動する。
本発明はさらに、誘導磁気力に基づくＭＥＭスイッチを提供するが、これは
ａ）スイッチング・デバイスの如何なる部分も開放表面に露出しない、
ｂ）スイッチング要素は、スイッチング・デバイスの如何なる他の部分とも物理的に結合しない、
ｃ）自由移動スイッチ要素は、ＢＥＯＬ（後工程）相互接続部に用いられる金属スタッドと同じ形及びサイズの、小さな空洞内に埋め込まれ、
ｄ）スイッチ要素は、その運動が誘導磁気力により制御されて空洞内部を移動する、
というユニークな特徴を含む。
ａ）スイッチング・デバイスの如何なる部分も開放表面に露出しない、
ｂ）スイッチング要素は、スイッチング・デバイスの如何なる他の部分とも物理的に結合しない、
ｃ）自由移動スイッチ要素は、ＢＥＯＬ（後工程）相互接続部に用いられる金属スタッドと同じ形及びサイズの、小さな空洞内に埋め込まれ、
ｄ）スイッチ要素は、その運動が誘導磁気力により制御されて空洞内部を移動する、
というユニークな特徴を含む。
本発明の、これら及び他の目的、態様及び利点は、添付の図面と共に考察するとき、本発明の詳細な好ましい実施形態からより良く理解されることになる。
図１は本発明のＭＣ−ＭＥＭスイッチの斜視略図示す。
図示されたＭＣ−ＭＥＭＳは、以下の基本要素、即ち（１）上部誘導コイル１７０、随意の下部誘導コイル１９０、（２）好ましくはパーマロイ製の上部磁心１８０、随意の下部磁心２００、（３）微小空洞４０、及び（４）好ましくは磁性材料製の、空洞内を自由に移動するスイッチング要素１４０を示している。スイッチングは、上部コイルに電流（Ｉｕ）を通してコイル要素１７０内に磁場を誘起することによって作動される。その場合、下部コイル１９０は無効状態（下部コイルに電流が通らない、即ち、Ｉｄ＝０）にある。磁場は、自由移動磁気要素１４０を上方に引き寄せて、２つの個々の配線セグメントＭ＿１及びＭ＿ｒを短絡する。電流の流れが停止又は反転すると、自由移動磁気要素１４０は重力により微小空洞の底部に落下して配線を開きＭＣ−ＭＥＭスイッチを切る。
図示されたＭＣ−ＭＥＭＳは、以下の基本要素、即ち（１）上部誘導コイル１７０、随意の下部誘導コイル１９０、（２）好ましくはパーマロイ製の上部磁心１８０、随意の下部磁心２００、（３）微小空洞４０、及び（４）好ましくは磁性材料製の、空洞内を自由に移動するスイッチング要素１４０を示している。スイッチングは、上部コイルに電流（Ｉｕ）を通してコイル要素１７０内に磁場を誘起することによって作動される。その場合、下部コイル１９０は無効状態（下部コイルに電流が通らない、即ち、Ｉｄ＝０）にある。磁場は、自由移動磁気要素１４０を上方に引き寄せて、２つの個々の配線セグメントＭ＿１及びＭ＿ｒを短絡する。電流の流れが停止又は反転すると、自由移動磁気要素１４０は重力により微小空洞の底部に落下して配線を開きＭＣ−ＭＥＭスイッチを切る。
空洞は、直径が０．１μｍから１０μｍまでの範囲の円筒形であることが好ましい。空洞は、その直径がＢＥＯＬに用いられる通常の金属スタッドの直径に近いので、以下では代わりに微小空洞と呼ぶことになる。
ここまでは、チップは垂直位置に適切に取付けて、回路を開くのに重力を利用することが可能であると想定してきた。従って、下部コイルなしで済ませることができる。しかし、チップが垂直位置に取付けられないときは、重力を利用することはできない。そのような場合には、下部コイル１９０と呼ぶ第２のコイルが、ＳＷを引き戻して初めの位置に保持するのに必要となる。その結果、スイッチングの間、上部コイル１７０は無効化され（即ち、Ｉｕ＝０）下部コイル１９０が電流（Ｉｄ）を通すことによりアクティブにされる。
前述の通り、自由移動導電要素ＳＷは、パーマロイ磁心、又はより良好な導電率のために銅コーティングを有するパーマロイ磁心であることが好ましい。当業者は、パーマロイが高い磁気的永続性を有する鉄−ニッケル・ベースの合金であり磁気記憶工業において広く利用されていることを直ちに認識するであろう。パーマロイ材料はまた、少量のＣｏ、Ｖ、Ｒｅ、及び／又はＭｎを含む場合がある。さらに、これは、特許文献１０、特許文献１１、及び特許文献１２に記述されているように、物理的スパッタリング又は電子堆積により堆積させることができる。少量の他の元素、例えばＣｏ、Ｖ、Ｒｅ、及び／又はＭｎを加えて、ニッケル−鉄ベースのパーマロイの軟磁気特性を向上させることができる。
電流をインダクタ１７０に印加すると、１４０の移動導電要素及び上部磁心１８０に対する磁場が誘起されて、これらを相互に引き寄せさせる。自由移動要素１４０は上部の電極Ｍ＿１とＭ＿ｒを短絡し、スイッチを閉じる。電流の流れが停止すると、磁場が消えるので１４０移動要素は重力により空洞の底部に落ち戻り、スイッチを開く。
第２の実施形態においては、磁心１８０は永久磁石として作用する。電流の方向に応じて、自由移動導電要素１４０を誘導する極性は永久磁石心１８０に等しいか又は反対向きとなる。その結果、自由移動導電要素１４０は、上部磁心１８０に引き寄せられるか又は反発される。従って結果としてスイッチは閉じるか又は開く。
さらに別の実施形態においては、それぞれの磁心を有する２組のコイルが自由移動スイッチ要素１４０に結合する。磁心とＳＷ１４０は両方ともにパーマロイ製であることが好ましい。従って、第１の瞬間に上部コイル１７０がアクティブにされて要素を上方に引き寄せる。同様に、第２の瞬間に下部コイルがアクティブにされてＳＷ１４０を下に降ろす。同じ原理に基づいて、スイッチング動作の他の組合せも可能である。
以下に、ＣＭＯＳ製造ライン内でＭＣ−ＭＥＭスイッチを製造するのに必要な製作プロセス・ステップを説明する。
図２を参照して、基板１０は、好ましくは化学気相堆積（ＣＶＤ）による窒化物を用いた保護膜３０により絶縁する。エッチング停止層２０は、導電性であるか否かに関らず、堆積及びパターン付けを含む通常のプロセスにより形成する。次に空洞４０を基板内に形成し、エッチング停止層２０で停止する。
図２を参照して、基板１０は、好ましくは化学気相堆積（ＣＶＤ）による窒化物を用いた保護膜３０により絶縁する。エッチング停止層２０は、導電性であるか否かに関らず、堆積及びパターン付けを含む通常のプロセスにより形成する。次に空洞４０を基板内に形成し、エッチング停止層２０で停止する。
図３を参照して、バッファ（又は犠牲）材料５０をブランケット堆積させる。この膜の厚さは、自由移動スイッチ要素（図示せず）と空洞の側壁との間に、微小空洞の側壁と形成すべき自由移動要素との間に適切な間隙を残すにはどの程度の公差が許されるかによって決定する。間隙の幅の範囲は、０．１μｍの程度又はそれ未満であることが好ましい。犠牲材料は、周囲の絶縁材料に対して選択的に除去できるＣＶＤポリシリコン、アモルファス・シリコンであることが好ましい。これらの材料は酸化物に対して高い選択性で乾式又は湿式でエッチング除去することができる。
図４を参照すると、導電材料６０は鉄−ニッケル・ベース合金のようなパーマロイ製であることが好ましく、これを空洞内に堆積させ、次いで平坦化して完全に充填された空洞を残す。表面のバッファ層５０は、次の化学機械研磨プロセスの間に除去される。バッファ層５５は空洞内部にだけ残る。
図５において、堆積させた導電材料は所定のレベル７０、好ましくは空洞の高さの７０％又は８０％まで窪ませる。
図６において、空洞の側壁上に用いたのと同じバッファ材料を堆積８０させ、空洞上部の充填物を再び研磨後退させる。
図７において、保護材料３０を研磨後退させ、好ましくは除去する。
図８において、金属堆積、パターン付け、及びエッチングのような、任意の従来のメタライゼーション・プロセスを用いて、金属配線１００を形成する。
図６において、空洞の側壁上に用いたのと同じバッファ材料を堆積８０させ、空洞上部の充填物を再び研磨後退させる。
図７において、保護材料３０を研磨後退させ、好ましくは除去する。
図８において、金属堆積、パターン付け、及びエッチングのような、任意の従来のメタライゼーション・プロセスを用いて、金属配線１００を形成する。
図９において、例えば、ＣＶＤ酸化物、スピン・オン・ガラスなどの絶縁材料１１０の層を堆積させる。
図１０において、絶縁材料１１０の内部に、微小空洞の上部８０に達する孔をパターン付けし、エッチングする。
図１１を参照して、空洞の上部におけるバッファ材料８０を選択的に除去する。
図１２において、通常の選択的乾式又は湿式エッチングにより、微小空洞の側壁上から残留バッファ材料５５を除去する。
図１０において、絶縁材料１１０の内部に、微小空洞の上部８０に達する孔をパターン付けし、エッチングする。
図１１を参照して、空洞の上部におけるバッファ材料８０を選択的に除去する。
図１２において、通常の選択的乾式又は湿式エッチングにより、微小空洞の側壁上から残留バッファ材料５５を除去する。
図１３において、孔の上部分は構造体の上部に堆積させた絶縁材料１５０で封じられる。この堆積は、高い堆積速度及び圧力並びに低い又はバイアスのない電源／電極電力を用いる化学気相堆積により行う。高い堆積速度（５０００Å／秒を上回る）及び圧力（１００ｍＴｏｒｒを上回る）は、活性種の平均自由行程を制限して空洞内部にそれらが堆積することを防ぐ。当業者には知られているように、低い及び／又はバイアスのない電源／電極電力（１００Ｗ未満）は、空洞の上部のコーナー回りこみの量を制限し、これが空洞内部における活性種の堆積をさらに妨げる。
次に図１４を参照して、コイル及び磁心要素は、通常の堆積、パターン付け及びエッチングのプロセスを用いて、別々に形成する。磁心材料は、好ましくはニッケル、銅、チタン又はモリブデンを含むパーマロイ材料製とする。コイルは、アルミニウム、銅、タングステン又はそれらの合金などの任意の通常の材料製とする。製作ステップは次の通りであり、初めに薄膜のパーマロイ材料を堆積させ、次いでパーマロイの薄膜をパターン付けする。パターン付けは、絶縁材料を初めに堆積させ、次いでエッチング・ステップにより磁心のパターンを形成する、ダマシン・プロセスにより好都合に達成される。次に磁心材料で充填し、パターンを埋めるところまで研磨戻しをする。次に、同じ絶縁材料をパターン付けしてコイルのパターンを形成し、続いて金属堆積及びコイル・パターンを埋めるところまで研磨戻しをする。
図１５は、導電スイッチング移動要素１４０を空洞の底に示した、開状態のＭＣ−ＭＥＭスイッチを示す。
図１６は、同じＭＣ−ＭＥＭスイッチについて、導電自由移動スイッチング要素１４０が磁場により引き上げられて達成される、２つの配線１００を短絡した状態を示す。バッファ材料は、図１２に示すようにエッチング除去して、ＳＷが微小空洞の底に接着しないようにする。
図１７（Ａ）及び図１７（Ｂ）はそれぞれ、最終的なＭＣ−ＭＥＭＳ構造体の側面図及び線Ｘ−Ｘ’に沿った対応する上面図を示す。
図１６は、同じＭＣ−ＭＥＭスイッチについて、導電自由移動スイッチング要素１４０が磁場により引き上げられて達成される、２つの配線１００を短絡した状態を示す。バッファ材料は、図１２に示すようにエッチング除去して、ＳＷが微小空洞の底に接着しないようにする。
図１７（Ａ）及び図１７（Ｂ）はそれぞれ、最終的なＭＣ−ＭＥＭＳ構造体の側面図及び線Ｘ−Ｘ’に沿った対応する上面図を示す。
図１７Ｂにおける微小空洞への開口は、金属配線により部分的に陰付けして示す。付加的な金属延長部分２００は、（１）上部封入プロセス中に残留物を遮断すること（シャドウィング効果とも呼ぶ）、及び（２）スイッチ要素により大きな電気的接触面積を与えること、の２つの目的にかなう。残留物が空洞内部で堆積するのを防ぐために完全なシャドウィング効果を達成するように金属配線をパターン付けすることが可能であると考えられる。
本発明の微小空洞は、通常の金属スタッドと凡そ同じ大きさである。空洞内部の自由移動スイッチ要素は、真空中に封入して腐食しないようにすることが好ましい。
本発明の微小空洞は、通常の金属スタッドと凡そ同じ大きさである。空洞内部の自由移動スイッチ要素は、真空中に封入して腐食しないようにすることが好ましい。
従来技術のＭＥＭスイッチとは異なり、機械的移動ヒンジ要素がないので、本発明のデバイスはより丈夫で耐久性がある。空洞は完全に封入されるので、その後に平坦化される表面は、集積化又は組立てのさらなる可能性を提供する。説明したようにこのＭＣ−ＭＥＭＳは、通常のＣＭＯＳ半導体製造プロセス・ステップと完全に適合する。
本発明のＭＥＭスイッチの種々のパラメータをより良く定量化するために、ＭＣ−ＭＥＭＳの磁場及びコイル寸法に関する見積りを以下に論じる。
自由移動要素をある距離だけ移動させるのに必要なエネルギー又は仕事は次式で与えられる。
エネルギー＝（１／２）ＬＩ２＝（ｍｇ（１＋ε））ｈ
式中、
ε、摩擦係数＝０．１
ｍ、スイッチ要素の質量
ｈ、移動距離に高さ＝０．５μｍ
Ｈ、円柱型スイッチ要素の高さ＝０．５μｍ
Ｄ、円柱型スイッチ要素の直径＝１μｍ
ｇ、重力係数＝９．８ｍ／ｓ２
Ｌ、インダクタンス（ヘンリー）
Ｉ、磁気発生電流（アンペア）
自由移動要素をある距離だけ移動させるのに必要なエネルギー又は仕事は次式で与えられる。
エネルギー＝（１／２）ＬＩ２＝（ｍｇ（１＋ε））ｈ
式中、
ε、摩擦係数＝０．１
ｍ、スイッチ要素の質量
ｈ、移動距離に高さ＝０．５μｍ
Ｈ、円柱型スイッチ要素の高さ＝０．５μｍ
Ｄ、円柱型スイッチ要素の直径＝１μｍ
ｇ、重力係数＝９．８ｍ／ｓ２
Ｌ、インダクタンス（ヘンリー）
Ｉ、磁気発生電流（アンペア）
自由移動要素の質量は次のように見積られる。
アルミニウム及び合金の密度は約２．７ｇ／ｃｍ３である。
移動要素の体積は次式で与えられる。
Ｖ＝π（ｄ／２）２Ｈ＝（３．１４）（０．２５×１０−８）（０．５×１０−４）＝０．３９×１０−１２ｃｍ３
移動要素の質量は、
Ｍ＝２．７×０．３９×１０−１２＝１．０５×１０−１２ｇ
見積られた仕事は、
仕事＝（ｍｇ（１＋ε））ｈ＝（１．０６×１０−１２）×９．８×１．１（０．５×１０−６）＝５．７×１０−１８ｇｍ２／ｓ２＝５．７×１０−２１Ｎｍ＝５．７×１０−２１Ｊ
インダクタのサイズは次のように見積られる。
（１／２）ＬＩ２＝５．７×１０−２１Ｊ
電流Ｉは次のように算出される。
Ｉ＝０．１ｍＡ＝１×１０−４Ａ（又は１ｍＡ＝１×１０−３Ａ）
従って、スパイラル・インダクタンスは次のようになる。
Ｌ＝（２×５．７×１０−２１）／（１×１０−４）２＝１．１４×１０−１１＝１０ｐＨ（又は０．０１ｎＨ）
アルミニウム及び合金の密度は約２．７ｇ／ｃｍ３である。
移動要素の体積は次式で与えられる。
Ｖ＝π（ｄ／２）２Ｈ＝（３．１４）（０．２５×１０−８）（０．５×１０−４）＝０．３９×１０−１２ｃｍ３
移動要素の質量は、
Ｍ＝２．７×０．３９×１０−１２＝１．０５×１０−１２ｇ
見積られた仕事は、
仕事＝（ｍｇ（１＋ε））ｈ＝（１．０６×１０−１２）×９．８×１．１（０．５×１０−６）＝５．７×１０−１８ｇｍ２／ｓ２＝５．７×１０−２１Ｎｍ＝５．７×１０−２１Ｊ
インダクタのサイズは次のように見積られる。
（１／２）ＬＩ２＝５．７×１０−２１Ｊ
電流Ｉは次のように算出される。
Ｉ＝０．１ｍＡ＝１×１０−４Ａ（又は１ｍＡ＝１×１０−３Ａ）
従って、スパイラル・インダクタンスは次のようになる。
Ｌ＝（２×５．７×１０−２１）／（１×１０−４）２＝１．１４×１０−１１＝１０ｐＨ（又は０．０１ｎＨ）
高μの磁心を有するコイルは、磁場を１０倍又はそれ以上に増加させて、必要な電流を１０分の１に減らすことができることに留意されたい。
修正ホイーラー式
Ｋ１＝２．３４
Ｋ２＝２．７５
ｎ＝巻き数＝１
ｄａｖｇ＝平均直径＝０．５（ｄｉｎ＋ｄｏｕｔ）
ｐ＝充填比＝（ｄｏｕｔ−ｄｉｎ）／（ｄｏｕｔ＋ｄｉｎ）
μ０＝空気の透磁率＝１．２６×１０−６
（１）単一の巻きに対しては、
ｄｉｎ＝１μｍ、及びｄｏｕｔ＝２μｍ
ｄａｖｇ＝１．５μｍ
ρ＝０．３４
Ｌ＝（２．３４×１．２６×１０−６×（１×１．５×１０−６））／（１＋２．７５×０．３４）＝１．９０ｐＨ
（２）二巻きに対しては、
ｄｉｎ＝１μｍ、及びｄｏｕｔ＝４μｍ
ｄａｖｇ＝２．５μｍ
ρ＝０．６
Ｌ＝（２．３４×１．２６×１０−６×（４×２．５×１０−６））／（１＋２．７５×０．６）＝１１．１２ｐＨ
Ｋ２＝２．７５
ｎ＝巻き数＝１
ｄａｖｇ＝平均直径＝０．５（ｄｉｎ＋ｄｏｕｔ）
ｐ＝充填比＝（ｄｏｕｔ−ｄｉｎ）／（ｄｏｕｔ＋ｄｉｎ）
μ０＝空気の透磁率＝１．２６×１０−６
（１）単一の巻きに対しては、
ｄｉｎ＝１μｍ、及びｄｏｕｔ＝２μｍ
ｄａｖｇ＝１．５μｍ
ρ＝０．３４
Ｌ＝（２．３４×１．２６×１０−６×（１×１．５×１０−６））／（１＋２．７５×０．３４）＝１．９０ｐＨ
（２）二巻きに対しては、
ｄｉｎ＝１μｍ、及びｄｏｕｔ＝４μｍ
ｄａｖｇ＝２．５μｍ
ρ＝０．６
Ｌ＝（２．３４×１．２６×１０−６×（４×２．５×１０−６））／（１＋２．７５×０．６）＝１１．１２ｐＨ
１ｍＡの電流を用いる場合には、１μｍの内径、０．５μｍの巻き幅及び間隔をもつ１巻きを有するコイルが適切である。インダクタ電流を０．１ｍＡまで減少させる場合には、２巻きのインダクタが必要である。両条件のコイルの電流及びサイズは、半導体用途のために許容できる。
本発明は特定の実施形態に関して特に説明したが、当業者には、他の代替物、修正及び改変が本明細書の説明を考慮すれば明白となる。従って、添付の特許請求の範囲は、あらゆるそうした代替物、修正及び改変が本発明の真の趣旨と範囲内に入るものとして包含することが企図されている。
本発明の微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチは、通信装置、特に携帯電話に利用可能である。
（従来技術部分、図１８〜図２２）
８、９：くし型駆動部
１９：下部コンタクト
２０：可動コンタクト（図１８、図１９）、誘導コイル（図２０）
２７：相互接続プラグ
２９：上部コンタクト
３０：固定コンタクト（図１９）、誘導コイル（図２０）
４０：固定第１制御電極（図１９）、誘導コイル（図２０）
４１：ガラス又はシリコン基板
４３：方位ミラー
４４：反射ミラー
４６：アクチュエータ
５０、５０Ａ：順応性第２制御電極（図１９）、誘導コイル（図２０）
６０：トーション・ビーム
７１：上部板
７２：カンチレバー
７４：下部板
１０２：上部金属電極
１０４：下部金属電極
１０８：絶縁体膜
１１０：金属キャップ
４４１、４３１：パーマロイ材料
（本発明部分、図１〜図１７）
１０：基板
２０：エッチング停止層
３０：保護膜
４０：微小空洞
５０、８０：バッファ材料
５５：バッファ層
６０：導電材料
７０：所定のレベル
１００、：金属配線
１１０、１５０：絶縁材料
１２０：孔
１４０：自由移動スイッチング要素
１７０：上部誘導コイル
１８０：上部磁心
１９０：下部誘導コイル
２００：下部磁心（図１）、金属延長部分（図１７（Ｂ））
８、９：くし型駆動部
１９：下部コンタクト
２０：可動コンタクト（図１８、図１９）、誘導コイル（図２０）
２７：相互接続プラグ
２９：上部コンタクト
３０：固定コンタクト（図１９）、誘導コイル（図２０）
４０：固定第１制御電極（図１９）、誘導コイル（図２０）
４１：ガラス又はシリコン基板
４３：方位ミラー
４４：反射ミラー
４６：アクチュエータ
５０、５０Ａ：順応性第２制御電極（図１９）、誘導コイル（図２０）
６０：トーション・ビーム
７１：上部板
７２：カンチレバー
７４：下部板
１０２：上部金属電極
１０４：下部金属電極
１０８：絶縁体膜
１１０：金属キャップ
４４１、４３１：パーマロイ材料
（本発明部分、図１〜図１７）
１０：基板
２０：エッチング停止層
３０：保護膜
４０：微小空洞
５０、８０：バッファ材料
５５：バッファ層
６０：導電材料
７０：所定のレベル
１００、：金属配線
１１０、１５０：絶縁材料
１２０：孔
１４０：自由移動スイッチング要素
１７０：上部誘導コイル
１８０：上部磁心
１９０：下部誘導コイル
２００：下部磁心（図１）、金属延長部分（図１７（Ｂ））
Claims (32)
- 基板に支持された微小電子機械（ＭＥＭ）スイッチであって、
前記基板内の１つの空洞（４０）と、
前記空洞（４０）の内部を自由に移動し、少なくとも１つの誘導要素（１７０，１９０）により作動される１つのスイッチング要素（１４０）と
を含み、第１の位置において前記スイッチング要素（１４０）は２つの導電要素（Ｍ＿１、Ｍ＿ｒ）を電気的に結合し、第２の位置において前記スイッチング要素は前記２つの導電要素（Ｍ＿１、Ｍ＿ｒ）を切り離す、ＭＥＭスイッチ。 - 前記スイッチング要素（１４０）は導電性材料で作られる、請求項１に記載のＭＥＭスイッチ。
- 前記スイッチング要素（１４０）は、前記少なくとも１つの誘導要素（１７０、１９０）によりエネルギーを与えられる、請求項１に記載のＭＥＭスイッチ。
- 前記スイッチング要素（１４０）は、エネルギーを断たれたとき重力により前記第２の位置に落下する、請求項３に記載のＭＥＭスイッチ。
- 前記誘導要素は、磁心（１８０、２００）に結合したコイルを備える、請求項１に記載のＭＥＭスイッチ。
- 前記磁心及び前記スイッチング要素はパーマロイで作られる、請求項５に記載のＭＥＭスイッチ。
- 前記コイルに加えられる電流は、前記スイッチング要素及び前記磁心に対して磁場を誘導し、前記スイッチング要素を前記磁心に引き寄せ、前記スイッチング要素は前記導電要素を短絡し、前記ＭＥＭスイッチを閉じる、請求項５に記載のＭＥＭスイッチ。
- 前記電流が停止されるとき、前記磁場は消え、前記スイッチング要素は重力により前記空洞の前記底に落ち戻り、前記ＭＥＭスイッチを開く、請求項７に記載のＭＥＭスイッチ。
- 前記２つの導電要素は前記空洞の上に配置され、それらの間隔はスイッチング要素に適合される、請求項１に記載のＭＥＭスイッチ。
- 前記空洞内を移動する前記スイッチング要素は、上部及び下部の誘導要素により導かれる、請求項１に記載のＭＥＭスイッチ。
- 前記空洞は、０．１μｍから１０μｍまでの範囲の直径、及び０．１μｍから１０μｍまでの範囲の高さを有する円筒形である、請求項１に記載のＭＥＭスイッチ。
- 前記スイッチング要素は、前記空洞の直径より小さな最大断面積を有する球、円筒、又は任意の形に形作られる、請求項１に記載のＭＥＭスイッチ。
- 前記誘導要素は、Ｎが１に等しいか又はそれ以上であるとして、Ｎ巻きを有する金属コイルであり、該金属コイルの内部には磁心が存在する、請求項１に記載のＭＥＭスイッチ。
- 前記金属コイルは、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｗ、及びそれらの任意の合金から成る群から選択された材料から作られる、請求項１３に記載のＭＥＭスイッチ。
- 前記磁心はパーマロイで作られ、該パーマロイは、Ｃｏ、Ｖ、Ｒｅ、及びＭｎから成る群から選択されたある量の材料と組み合せた鉄―ニッケル・ベースの合金である、請求項５に記載のＭＥＭスイッチ。
- 基板上に微小電子機械（ＭＥＭ）スイッチを形成する方法であって、
前記基板の上に磁心を囲む誘導コイルを形成するステップと、
前記基板内に、前記磁心に実質的に適合させた開口を有する微小空洞をエッチング形成するステップと、
前記微小空洞内を自由に移動する磁気スイッチング要素を形成ステップと
を含み、前記磁気スイッチング要素は前記誘導コイルにより作動されるとき第１の位置に移動し、前記誘導コイルが非作動にされたとき第２の位置に移動する、方法。 - 前記微小空洞を前記形成するステップは、初めにエッチング停止層を堆積させパターン付けするステップと、次ぎに前記基板の内部に前記微小空洞をエッチング形成し、前記エッチング停止層で停止するステップとを含む、請求項１６に記載の方法。
- 前記磁気スイッチング要素を前記微小空洞内部に前記形成するステップは、
前記微小空洞の側壁上に、前記自由移動スイッチング要素と前記微小空洞の前記側壁との間の許容差により決められる厚さまで、犠牲材料を共形的に堆積させるステップと、
前記微小空洞内に導電材料を堆積させるステップと、
前記微小空洞を埋めるところまで平坦化して戻すステップと、
前記導電材料を、前記微小空洞の高さの所定のレベルまで窪ませるステップと、
前記微小空洞を、犠牲材料で前記微小空洞の上部まで再充填するステップと、
前記犠牲材料を選択的に除去して前記導電材料を前記側壁から自由にするステップと
を含む、請求項１６に記載の方法。 - 前記磁心及び前記スイッチング要素はパーマロイで作られる、請求項１６に記載の方法。
- 前記微小空洞内に導電材料を堆積させ、次いで平坦化し、前記微小空洞の所定の高さまで充填された前記微小空洞を残すステップと、
前記微小空洞を犠牲材料で完全に充填するステップと
をさらに含む、請求項１８に記載の方法。 - 前記微小空洞の上部から前記犠牲材料を選択的に除去するステップと、
相互接続配線を形成し、その上に絶縁材料を堆積させるステップと
をさらに含む、請求項２０に記載の方法。 - 前記微小空洞に達する開口をパターン付けしエッチングするステップと、
前記微小空洞の前記上部及び前記側壁から前記犠牲材料を選択的に除去するステップと
をさらに含む、請求項２１に記載の方法。 - 前記相互接続配線は相互に間隔を空けられた配線セグメントを含むようにパターン付けされ、前記間隔は前記スイッチング移動要素に実質的に適合され、前記誘導コイルが、それぞれ作動及び非作動にされるとき、前記自由移動スイッチング要素が前記配線セグメントを短絡及び開くことを可能にする、請求項２１に記載の方法。
- 前記微小空洞の上部表面を封入するステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
- 前記誘導要素を作動及び非作動にするステップは、前記コイルに電流を印加することにより達成され、この電流が前記スイッチング要素及び前記磁心の上に磁場を誘起し、前記スイッチング要素を前記磁心の方向に引き寄せ、前記スイッチング要素は前記導電要素を短絡し、前記ＭＥＭスイッチを閉じる、請求項２３に記載の方法。
- 前記電流が停止されるとき、前記磁場は消え、前記スイッチング要素が重力により前記微小空洞の底に落下して前記ＭＥＭスイッチを開くことを可能にする、請求項２５に記載の方法。
- 前記微小空洞内部を移動する前記スイッチング要素は、上部及び下部の誘導コイルにより導かれる、請求項２５に記載の方法。
- 前記空洞は、０．１μｍから１０μｍまでの範囲の直径、及び０．１μｍから１０μｍまでの範囲の高さを有する円筒形である、請求項２５に記載の方法。
- 前記スイッチング要素は、前記空洞の直径より小さな最大断面積を有する球、円筒、又は任意の形に形作られる、請求項２５に記載の方法。
- 前記誘導要素は、Ｎが１に等しいか又はそれ以上であるとして、Ｎ巻きを有する金属コイルであり、該金属コイルの内部には磁心が配置される、請求項２５に記載の方法。
- 前記金属コイルは、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｗ、及びそれらの任意の合金から成る群から選択された材料から作られる、請求項２５に記載の方法。
- 前記磁心はパーマロイで作られ、該パーマロイは、Ｃｏ、Ｖ、Ｒｅ、及びＭｎから成る群から選択されたある量の材料と組み合せた鉄―ニッケル・ベースの合金である、請求項２６に記載の方法。
Applications Claiming Priority (3)
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|---|---|---|---|
| US11/217,163 US7394332B2 (en) | 2005-09-01 | 2005-09-01 | Micro-cavity MEMS device and method of fabricating same |
| US11/217,163 | 2005-09-01 | ||
| PCT/US2006/033924 WO2007027813A2 (en) | 2005-09-01 | 2006-08-30 | Micro-cavity mems device and method of fabricating same |
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|---|---|
| JP2009507343A true JP2009507343A (ja) | 2009-02-19 |
| JP2009507343A5 JP2009507343A5 (ja) | 2009-04-02 |
| JP4717118B2 JP4717118B2 (ja) | 2011-07-06 |
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