JP2011091029A

JP2011091029A - スイッチ構造及び方法

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Publication number: JP2011091029A
Application number: JP2010201497A
Authority: JP
Inventors: Christopher Fred Keimel; クリストファー・フレッド・ケイメル; Marco Francesco Aimi; マルコ・フランチェスコ・アイミ; Shubhra Bansal; シュブラ・バンサル; Reed Roeder Corderman; リード・ローダー・コーダーマン; Kuna Venkat Satya Rama Kishore; クナ・ヴェンカット・サチャ・ラマ・キショア; Eddula Sudhakar Reddy; エデュラ・スッダカール・レディ; Atanu Saha; アタヌ・サハ; Kanakasabapathi Subramanian; カナカサバパシ・スブラマニアン; Parag Thakre; パラグ・サクレ; Alex David Corwin; アレックス・デイヴィッド・コーウィン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-09-23
Filing date: 2010-09-09
Publication date: 2011-05-06
Also published as: US20110067983A1; KR101734547B1; EP2315221B1; KR20110033055A; CN102034648B; EP2315221A1; US8354899B2; CN102034648A

Abstract

【課題】スイッチ構造において発生する障害を抑制した超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）を提供する。
【解決手段】超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）のスイッチ構造１００は接点１０２及び導電性素子１０４を含み、導電性素子１０４は接点１０２から離間される第１の位置と、接点１０２と接触する第２の位置との間で変形可能なように構成され、また、導電性素子１０４は、クリープとよばれる時間依存変形を抑止するための金属材料から形成される。この耐クリープ金属材料は、小さな定常状態塑性歪み速度を示す材料であり、例えば、ニッケルータングステン合金を含む。耐クリープ材料により導電素子１０４を形成することにより、導電素子１０４と接点１０２間距離を長期間一定に維持することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に電流を切り替える装置に関し、特に、超小型電気機械スイッチ構造に関する。

回路遮断器は、回路の障害によって起こる損傷から電気機器を保護するように設計された電気装置である。従来の多くの回路遮断器は、大形の（マクロ）電気機械スイッチを含む。従来の回路遮断器は大型であるので、切り替え機構を作動するのに大きな力を必要とするという欠点がある。更に、従来の回路遮断器のスイッチは、一般に相対的に低速で動作する。また、回路遮断器を製造する方法は複雑であり、そのため、製造コストは高い。加えて、従来の回路遮断器の切り替え機構の接点が物理的に離間した場合、接点の間でアークが形成されることがある。回路内の電流が停止するまで、このアークはスイッチを介して電流を流し続ける。更に、アークと関連するエネルギーは、接点に重大な損傷を与え且つ／又は操作員にやけどを負わせる危険がある。

高速切り替えを必要とする用途で、低速電気機械スイッチに代わり相対的に高速の固体スイッチが採用されてきた。固体スイッチは、電圧又はバイアスの印加を制御することにより導通状態と非導通状態との間で切り替わる。しかし、固体スイッチが非導通状態に切り替えられる場合に接点の間に物理的間隙が形成されないので、名目上は非導通状態であっても、漏れ電流が発生する。更に、導通状態での動作中、固体スイッチは内部抵抗に起因する電圧降下を受ける。正常な動作状況の下で、電圧降下及び漏れ電流は共に電力消散及び過剰な熱の発生を招く。そのような電力消散と過熱は、スイッチの性能及び寿命に悪影響を及ぼすと考えられる。また、固体スイッチと関連する固有の漏れ電流は、回路遮断器において固体スイッチを使用できないことの少なくとも１つの原因である。

超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）系の切り替え装置は、ある特定の電流切り替え用途に対して、上述したマクロ電気機械スイッチ及び固体スイッチに代わる有用な装置であるといえる。ＭＥＭＳ系スイッチは、電流を導通するように設定された場合の抵抗は低く且つ電流の流れを遮断するように設定された場合の漏れは小さい（０になる）という傾向を示す。更に、ＭＥＭＳ系スイッチは、マクロ電気機械スイッチより速い応答時間を示すことが予想される。

米国特許第６６９９３７９号明細書米国特許第７１２６２２０号明細書米国特許第７２４７０３５号明細書米国特許第７３９３５９４号明細書米国特許出願公開第２００４／０１５４９２５号明細書米国特許出願公開第２００７／０２１５４４８号明細書米国特許出願公開第２００９／０１２７０８２号明細書 HAJ-TALEB et al., "Thermal Stability of Electrodeposited LIGA Ni-W Alloys for High Temperature MEMS Applications", Midcrosyst Technol, Volume 14, pp. 1531-1536, 2008. HASEEB et al., "Friction and Wear Characteristics of Electrodeposited Nanocrystalline Nickel-Tungsten Alloy Films", ScienceDirect, Wear, Volume 264, pp. 106-112, 2008. SLAVCHEVA et al., "Electrodeposition and Properties of NiW Films for MEMS Application", ScienceDirect, Electrochimica Acta, Volume 50, 5573-5580, 2005. NAMBURI, "Electrodeposition of NiW Alloys Into Deep Recesses, A Theseis Submitted to the Graduate Faculty of the Louisiana State University and Agricultural and Mechanical College in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science in Chemical Engineering in The Department of Chemical Engineering, 50 pages, December 2001.

１つの態様において、スイッチ構造のような装置が提供される。装置は、接点及び導電性素子を含み、導電性素子は、導電性素子が接点から離間される第１の位置と、導電性素子が接点と接触し、接点との間に電気的接続を成立させることができる第２の位置との間で変形可能であるように構成される。例えば、導電性素子は、片持ち梁、両持ち梁、ねじり素子及び／又はダイアフラムを含んでもよい。装置は、導電性素子を第２の位置に向かって付勢するための静電力を加えるために充電されるように構成された電極を更に含んでもよい。

接点及び導電性素子（及び電極）は、超小型電気機械装置又はナノ電気機械装置の一部であってもよい。例えば、導電性素子は約１０³ｍ^-1以上の表面積対体積比を有する。接点及び導電性素子の各々は基板の上に配設されてもよく、基板は金属酸化物半導体電界効果トランジスタを含んでもよい。

導電性素子は、外部からの力が加わらない場合に導電性素子に第１の位置をとらせるのに十分なエネルギーを変形中に蓄積するように構成されてもよい。更に、導電性素子は、導電性素子がほぼ第１の位置をとっている場合の接点からの離間距離の変化率が約４０％未満であり且つ力が加えられたときに第２の位置に向かって動かされ、力が加えられなくなった時点で第１の位置までほぼ戻るように構成されてもよい。いくつかの実施形態において、第２の位置をとっている場合、導電性素子は、少なくとも約１００００秒の累積時間の間に少なくとも約１００ＭＰａの応力を受けるように構成されてもよい。

導電性素子は、例えば、約４０℃を超える温度での時間依存変形を抑止するための金属材料から実質的に形成されてもよい。例えば、金属材料の降伏強さの少なくとも約２５％の応力及び金属材料の溶融温度の約１／２以下の温度にさらされた場合に１０^-12ｓ^-1未満の最大定常状態塑性歪み速度を示すように、金属材料は構成されてもよい。いくつかの実施形態において、金属材料は、少なくともニッケル及びタングステンから成る合金、例えば、少なくとも６５原子％のニッケル及び少なくとも１原子％のタングステンから成る合金を含んでもよい。ニッケル及びタングステンの合金は、約１μｍ以下の平均粒径を有してもよい。他の実施形態において、金属材料は非晶質金属を含んでもよい。更に別の実施形態において、金属材料は、７００℃以上の溶融温度を有してもよい。更なる実施形態において、金属材料は非磁性であってもよい。

装置は、異なる電位にある第１の側及び第２の側を有する回路を更に含んでもよい。例えば、金属材料の溶融温度の３０％未満の周囲温度で導電性素子が第１の位置と第２の位置との間で変形することにより、導電性素子に電流が流されるか又は導電性素子を流れる電流が遮断されるように、接点及び導電性素子のうち一方は、回路の第１の側及び第２の側のうち一方の側に接続されてもよく且つ接点及び導電性素子のうち他方は、回路の他方の側に接続されてもよい。第１の側は、少なくとも１ｍＡの大きさ及び約１ｋＨｚ以下の振動周波数を有する電流を供給するように構成された電源を含んでもよい。いくつかの実施形態において、装置は、時間依存変形を抑止するための金属材料から実質的に形成される第２の導電性素子を更に含んでもよい。第２の導電性素子は、第２の導電性素子が第２の接点から離間される第１の位置と、第２の導電性素子が第２の接点と接触する第２の位置との間で変形可能であるように構成されてもよい。導電性素子及び第２の導電性素子は、基板上に配設される回路の一部として直列及び並列のアレイを形成するように配列されてもよい。

別の態様において、基板を提供することと、基板上に接点を形成することとを含む方法が提供される。導電性素子は基板上に形成されてもよく、導電性素子は、少なくともニッケル及びタングステンの合金（例えば、電気めっきにより）から実質的に形成され且つ導電性素子が接点から離間する第１の位置と、導電性素子が接点と接触する第２の位置との間で変形可能であるように構成される。基板上に電極が更に形成されてもよく、電極は、導電性素子を第２の位置に向かって動かすのに十分な静電力を発生するように構成される。次に、導電性素子は少なくとも３００℃の温度にさらされてもよい。更に、接点及び導電性素子は基板と保護キャップとの間に封入されてもよい。

接点及び導電性素子のうち一方は、回路の一方の側に接続されてもよく且つ接点及び導電性素子のうち他方は、回路の他方の側に接続されてもよい。回路の２つの側は、互いに遮断された場合に異なる電位を有する。例えば、少なくとも１ｍＡの振幅及び約１ｋＨｚ以下の振動周波数を有する電流を導電性素子に流すか又は導電性素子を流れる電流を遮断するように、導電性素子は、第１の位置と第２の位置との間で選択的に変形されてもよい。いくつかの実施形態において、導電性素子に電流を流すか又は導電性素子を流れる電流を遮断するように、導電性素子は、少なくとも４０℃以上、２５０℃未満である使用温度で選択的に変形されてもよい。いくつかの実施形態において、導電性素子に電流を流すか又は導電性素子を流れる電流を遮断するように導電性素子を第１の位置と第２の位置との間で選択的に変形させる前に、使用温度を超える処理温度に導電性素子はさらされてもよい。

本発明の上記の特徴、態様及び利点並びに他の特徴、態様及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより更によく理解されるだろう。図面中、同じ図中符号は、一貫して同じ部分を示す。
図１は一実施形態に従って構成されたスイッチ構造を示した概略斜視図である。図２は図１のスイッチ構造を示した概略側面図である。図３は図１のスイッチ構造を示した概略部分斜視図である。図４は開成位置にある図１のスイッチ構造を示した概略側面図である。図５は閉成位置にある図１のスイッチ構造を示した概略側面図である。図６Ａ〜図６Ｅは一実施形態に従って構成されるスイッチ構造を製造する方法を示した概略側面図である。

以下に、添付の図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図面中、同じ図中符号は、一貫して同じ部分を示す。以下に説明される実施形態のうちいくつかは、先に示された課題及び他の課題のうちいくつかに対処してもよい。

図１〜図３を参照すると、一実施形態に従って構成されたスイッチ構造１００のいくつかの概略図が示される。スイッチ構造１００は接点１０２を含んでもよく、接点１０２は、例えば、少なくとも一部が導電性材料（例えば、金属）から形成されたパッドであってもよい。スイッチ構造１００は、少なくとも一部が導電性材料（例えば、金属）から形成された片持ち梁１０４などの導電性素子を更に含んでもよい。いくつかの実施形態において、導電性素子は、例えば、梁１０４の保護（場合によっては非導電性の）被膜及び／又は接点１０２（以下に更に説明されるように）と接触すべき梁の一部分に配設された接点パッドなどの他の構造を更に含んでもよい。梁１０４はアンカー１０６により支持されてもよい。アンカー１０６は、梁と一体に形成されてもよく且つ基板１０８などの下部支持構造に梁を接続する働きをしてもよい。接点１０２は基板１０８により更に支持されてもよい。

接点１０２及び梁１０４を基板１０８の上に配設することにより、従来の超小型装置製造技術（例えば、電気めっき、蒸着、フォトリソグラフィ、ウェットエッチング及び／又はドライエッチングなど）によりスイッチ構造１００の製造を容易にしてもよい。その趣旨に沿って、スイッチ構造１００は、超小型電気機械装置又はナノ電気機械装置又は超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）の一部を構成してもよい。例えば、接点１０２及び梁１０４は、数μｍ又は数十μｍ及び／又は数ｎｍ又は数十ｎｍ程度の寸法を有してもよい。一実施形態において、梁１０４は、１０⁸ｍ^-1以上の表面積対体積比を有してもよく、別の実施形態において、その比は１０³ｍ^-1に近くてもよい。スイッチ構造１００を製造するために使用可能な方法に関しては、以下に更に詳細に説明する。

基板１０８は、例えば、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）及び基板１０８と他の部分とを電気的に接続する働きをする導電層パターン（図示せず）などの従来の半導体デバイス及び／又は素子を更に含むか又は支持してもよい。そのような導電層パターンは、接点１０２及び梁１０４への電気的接続を実現する働きもする（梁１０４への接続は、例えば、アンカー１０６を介して実現される）。それらの電気的接続は図１及び図２に示され、以下に説明される。スイッチ構造１００の構成要素のような半導体デバイス及び導電層は、従来の超小型デバイス製造技術を使用して製造されてもよい。一実施形態において、基板１０８は、１つ以上のＭＯＳＦＥＴを含むように処理された半導体ウェハであってもよく、ウェハの面にスイッチ構造１００及び他の回路網が形成される。スイッチ構造１００は、ＭＯＳＦＥＴのうち１つの上に配設されてもよく（例えば、ウェハの面に対する垂線は、ＭＯＳＦＥＴ及びスイッチ構造の双方と交差すると考えられる）且つＭＯＳＦＥＴと共に動作可能であってもよい（以下に更に説明する）。

図１〜図５を参照すると、梁が接点１０２から離間距離dだけ離間する第１の非接触位置、すなわち、「開成」位置（例えば、図４）と、梁が接点と接触し、接点との電気的接続が成立する第２の接触位置、すなわち、「閉成」位置（例えば、図５）との間で選択的に運動自在であるように、梁１０４は構成されてもよい。例えば、梁１０４が自然な状態（すなわち、外部から力が加えられない状態）では非接触位置にあり且つ機械的エネルギーを蓄積しながら接触位置へ動くために変形されるように、梁１０４は、接触位置と非接触位置との間で動く場合に変形を受けるように構成されてもよい。他の実施形態において、梁１０４が変形されていない場合の位置は、接触位置であってもよい。

スイッチ構造１００は電極１１０を更に含んでもよい。電極１１０と梁１０４との間に電位差が生じるように、電極１１０が適切に充電された場合、梁を電極に向かって（更には接点１０２に向かって）引っ張るように静電力が作用する。電極１１０に印加される電圧を適切に選択することにより、非接触位置（すなわち、開成又は非導通位置）から接触位置（すなわち、閉成又は導通位置）へ梁１０４を動かすのに十分な静電力が発生され、その静電力によって梁１０４は変形されてもよい。従って、電極１１０は、スイッチ構造１００に関する「ゲート」として作用してもよく、電極に印加される電圧（「ゲート電圧」と呼ばれる）は、スイッチ構造の開閉を制御する働きをする。電極１１０はゲート電圧源１１２と接続していてもよく、ゲート電圧源は電極に選択ゲート電圧V_Gを印加してもよい。

接点１０２及び梁１０４は回路１１４の一部として動作してもよい。例えば、回路１１４は第１の側１１６及び第２の側１１８を有してもよい。第１の側１１６及び第２の側１１８は、互いに遮断されている場合、互いに対して異なる電位を有する（片方の側のみが電源１２０に接続されているような場合）。梁１０４が第１の位置と第２の位置との間で変形することにより、電流が梁１０４を流れるか又は梁１０４を流れる電流が遮断されるように、接点１０２は、回路１１４の第１の側１１６及び第２の側１１８のうちいずれか一方に接続されてもよく且つ梁１０４は、他方の側に接続されてもよい。梁１０４は、スイッチ構造１００が利用される用途に応じて判定される頻度（均一又は不均一のいずれであってもよい）で接点１０２に対して接離を繰り返してもよい。接点１０２及び梁１０４が互いに離間している場合、接点と梁との間に電位差及び電圧差が存在すると考えられ、この電圧差を「隔離電圧」と呼ぶ。

一実施形態において、梁１０４は、電源１２０と接続（例えば、アンカー１０６を介して）していてもよく、接点１０２は、例えば、負荷抵抗R_Lを示す電気的負荷１２２と接続していてもよい。電源１２０は、電圧源として動作される場合と、電流源として動作される場合があってもよい。従って、梁１０４が接触位置にある場合、梁１０４は、負荷電流（例えば、約１ｍＡ以上の振幅及び約１ｋＨｚ以下の振動周波数を有する電流）を電源１２０から梁及び接点１０２を介して電気的負荷１２２へ流し、梁１０４が非接触位置にある場合には、その電気経路を遮断し、電源から負荷への電流の流れを阻止する電気的スイッチとして機能してもよい。ここで説明したような電流及び切り替え周波数は、相対的に大きな電力を分配する用途で利用されてもよい。スイッチ構造１００が信号送信に利用される（多くの場合、相対的に低い電力で動作する）用途のような他の実施形態において、電源１２０は、１００ｍＡ以下（１μＡの範囲まで）の大きさ及び１ｋＨｚを超える振動周波数を有する電流を供給してもよい。

回路全体の電流容量及び電圧容量を増加するために、以上説明したスイッチ構造１００を類似の構造を有する他のスイッチ構造又は異なる構造を有す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は可能だろう。例えば、スイッチ構造が開成している場合は隔離電圧を均一に分配し且つスイッチ構造が閉成している場合は電流を均一に分配するのを容易にするために、スイッチ構造を直列及び並列の双方の配列で配置することは可能だろう。

スイッチ構造１００の動作中、上述の電極１１０により発生される静電力のような外部から加えられる力に梁１０４がさらされてもよい。この力は、梁を第１の位置と第２の位置との間で変形させる（すなわち、接点１０２と接離する）。この力は、室温から約４０℃の範囲であるが、多くの場合に梁を実質的に形成している材料の溶融温度の５０％、更に低い場合は３０％を超えない周囲温度（使用温度）で加えられてもよく、且つそのような温度でスイッチ構造１００は動作してもよい。更に、スイッチ構造１００が数年程度の耐用年数を有することを期待されるような用途（相対的に大きな電力を分配する用途）において、梁１０４は、少なくとも１０⁴秒の累積時間にわたり接点１０２と接触する状態を保ってもよく、場合によっては１０⁶秒、更には１０⁸秒を超える時間接触したままであってもよい。更に、接点１０２と接触するように変形される場合、梁１０４は相対的に大きな応力を受けてもよく、応力の大きさは、スイッチ構造１００の幾何学形状及び梁を実質的に形成している材料によって決まる。

上記の構造の一例として、スイッチ構造１００は、約１００μｍの長さL、約２５対１の縦横比（長さL対厚さtの比）及び約５μｍの接点１０２からの離間距離dを有するニッケル（Ｎｉ）‐１２原子％タングステン（Ｗ）から成る片持ち梁１０４を含んでもよく、接点は、梁の自由端部に対向するように配置され且つ距離L_oだけ梁と重なり合う。そのような形状の場合、梁１０４が接点１０２と接触するように変形された場合、梁１０４及び／又はアンカー１０６の相当の部分に、１００ＭＰａを超え、６００ＭＰａ以上の大きさになる応力が存在してもよい。先に述べた通り、用途によっては、梁１０４及び／又はアンカー１０６は、使用条件の下で１０⁴秒以上の長さの時間にわたり障害なくこの応力を維持することを要求される場合がある。この応力は、凹凸形状及び表面突起などの応力集中領域の周囲に存在すると考えられる極めて局所的で、過渡状態にある場合が多い応力とは別であると予想される。

片持ち梁（又は他の変形可能な接触構造）及びそれに関連する接点を含むスイッチ構造（スイッチ構造１００など）を適正に動作させるために、梁を接点と接触させるように動かす外部力の有無（例えば、電極１１０と関連するゲート電圧及びそれに対応する静電力の有無）により指定される接触位置又は非接触位置のいずれかの位置を梁がとることが多くの場合に意図される。しかし、多くの研究者の観察によれば、μｍサイズの金属製片持ち梁（又は他の変形可能な接触構造）を含むスイッチ構造は誤動作しやすく、その結果、スイッチ構造は意図通りに動作しなくなる。そのような誤動作は、一般に表面の接着に関連する問題に起因する。特に、μｍサイズの梁（又は他の変形可能な接触構造）の表面積対体積比は大きいため、関連する接点パッドと梁が接触する自由表面がなくなることと関連して起こるエネルギーの減少は、変形中に梁に蓄積される機械的エネルギーと比較して小さくはなく、機械的エネルギーを上回る場合さえある。そのため、理論上、片持ち梁と関連する接点とを接触させる外部力が取り除かれた後になっても、梁の内部歪みエネルギーは梁を接点から離間させるには不十分であるので、梁と接点は接着したままになる。

以上の有力な理論とは対照的に、小型金属製片持ち梁を含むスイッチ構造の障害は、多くの場合、梁と関連する接点との接着によるのではなく、主に梁の変形前の形状の変化によって起こることに本出願人は気づいた。すなわち、梁を関連する接点と接触させるために外部力が加えられるにつれて、梁は、「クリープ」とも呼ばれる時間依存塑性変形を受ける。この時間依存塑性変形と関連して、梁は、繰り返し加えられる負荷に反応して疲労を生じる場合もあることが観察されている。疲労は、時間依存塑性変形の関数であると考えられ、梁及びアンカーに沿った応力集中場所で最も多く起こる。

梁が時間依存塑性変形を受けるにつれて、変形していない状態にある梁の形状（すなわち、外部からの負荷が加わっていない場合の梁の形状）は、非接触位置にあるときの梁の形状から梁が接触位置にあるときの形状へと変化する。同様に、接触位置にある場合の梁と関連していた当初の機械的歪みエネルギーは減少し、０になることもある。梁と関連する接点との接着と、接触位置にあるときの梁と関連していた機械的歪みエネルギーの減少とによって、スイッチ構造は最後には故障するが、梁と接点との接着による故障メカニズムは二次的な原因といってもよい。梁を形成している金属材料の溶融温度の５０％未満の周囲温度、更に低い場合には３０％未満の温度でスイッチ構造は動作している場合が多いことを考慮すると、スイッチ構造と関連する梁の時間依存塑性変形は驚くべきものである。

本出願人の発見を考慮すれば、室温から４０℃以上の範囲であり且つ梁を実質的に形成している材料の溶融温度（梁が複数の異なる金属材料から形成されている場合、それらの金属のうち梁の大部分を構成する１つの金属と関連する最低溶融温度）の５０％未満である温度などで起こる時間依存塑性変形を抑止するための金属材料から梁１０４は実質的に形成されてもよい。更に、金属材料は、７００℃以上の溶融温度を有してもよい。時間依存変形を抑止するための材料（「耐クリープ材料」）は、例えば、連続する負荷／歪みにさらされた場合に相対的に小さな定常状態塑性歪み速度を示す材料である。尚、クリープが起こる状況に応じて「小さな」塑性歪み速度が生じる。本出願に関しては、耐クリープ材料は、一般に、材料の降伏強さの約２５％までの応力及びクリープ材料の溶融温度の１／２未満の温度に対して約１０^-12ｓ^-1以下の定常状態塑性歪み速度を示す材料である。更に、梁１０４の機械的挙動が成分金属材料の機械的挙動により一般に又は大部分判定される場合、梁は、時間依存変形を抑止するための金属材料から「実質的に形成」されると考えられてもよい。

材料の溶融温度の約１／２〜１／３未満の温度で利用される場合、耐クリープ金属材料として種々の化合物が使用されてもよく、動作可能な多様な超小型構造を製造するために、それらの材料は種々の方法で合成されてもよい。例えば、溶融温度の上昇の結果、クリープ抵抗が発生することはありえるが、その結果、所定の動作条件に対して拡散による回復過程は遅くなる。あるいは、クリープ抵抗は超小型構造の操作の結果であるとも考えられる。例えば、小さな粒径で結晶質材料を形成することにより、転位運動に関連するクリープを制限できる。あるいは、結晶格子に溶解されることにより固溶体を強化し且つ／又は例えば、粒界で及び／又は結晶格子の中で析出することにより別の相を形成する添加剤が材料に添加されてもよい。添加剤は、転位運動を阻止し、拡散を抑止し且つ／又は結晶格子中の空隙に対するトラップとして作用する働きをする個別の粒子として作用してもよい。いくつかの実施形態において、添加剤として酸化物及び／又は炭化物が利用されてもよい。一般に、耐クリープ材料の例は、Ｎｉ基超合金及び／又はコバルト（Ｃｏ）基超合金を含む超合金、Ｎｉ‐Ｗ合金、Ｎｉ‐マンガン（Ｍｎ）合金、少量のＮｉ及び／又はＣｏを含有する金（「硬金」）、Ｗ、金属間化合物、微小粒を含む材料、固溶体及び／又は第２相強化にさらされる材料、並びに六方晶構造又は低い積層欠陥エネルギーを有する材料などの、塑性変形が抑止される結晶構造を有する材料を含んでもよい。

相対的に高い溶融温度を有する耐クリープ材料から実質的に梁１０４を形成することにより、使用中の大きなクリープは回避され、それにより、１年以下の使用期間、場合によっては２０年を超える期間（いくつかの用途における必要条件）の間に、梁と接点１０２との離間距離dをかなり一定に維持することができ、例えば、初期値の２４〜４０％の値に維持できることが本出願人により認められた。言い換えれば、力が加えられることによって梁１０４が非接触位置（梁が接点１０２から距離dだけ離間されている位置）から接触位置に向かって動かされ、その後に加えられていた力が除去されるというサイクルごとに、梁は、距離dだけ接点から離間される非接触位置にほぼ戻ることになり、dの値の変化は４０％未満であり、場合によっては２０％未満である。

耐クリープ金属材料は少なくともＮｉとＷの合金を含んでもよい。少なくとも６５原子％のＮｉ及び少なくとも１原子％のＷを含有する合金は、合金のクリープ抵抗を向上させる傾向にあると本出願人は判断した。そのように高いクリープ抵抗を示すことが本出願人により認められた合金の特定の一例は、Ｎｉ‐４原子％Ｗである。しかし、先に説明したように、かなりの部分がＮｉから形成され且つ約１原子％程度の少量のＷを含む合金は、クリープ抵抗の向上を示すと予想され、示されるクリープのレベルはＷの含有量に従って増減する。

ＮｉとＷの合金は、約１μｍ以下の平均粒径を有し（例えば、直流条件の下で電気めっきされた場合）、場合によっては、１０ｎｍ程度まで粒径は小さくなる。約１０〜１００ｎｍの平均粒径を有するＮｉ‐Ｗ材料の膜を製造するために、例えば、９６原子％のＮｉ及び４原子％のＷから成る合金が、直流条件の下で電気めっきされてもよい。その後、材料のクリープ抵抗を更に向上するために、例えば、３００〜４５０℃の温度で３０分間熱処理することにより、Ｎｉ‐Ｗ膜を高温にさらしてもよい。一般に、相対的に低い温度ではあるが、使用中の条件で材料が受ける温度（大きな電力を分配する用途では、約２５０℃以下になる場合が多い）よりは高い温度でのＮｉ‐Ｗ膜の熱処理が、熱処理済みＮｉ‐Ｗ膜から形成される構造が受ける時間依存変形の大きさを制限するように作用することを本出願人は見い出した。

先に示した通り、時間依存変形を抑止するための金属材料から実質的に形成される前述のスイッチ構造１００の製造と関連する処理温度は適切であり、通常は４５０℃未満である。これは、従来の不純物添加手順を採用した場合にシリコンから導体を形成するために要求される通常は９００℃を超える温度とは対照的である。スイッチ構造１００と関連する処理温度が低いことにより、例えば、ＭＯＳＦＥＴなどの温度の影響を受けやすい素子とスイッチ構造との集積が容易になる。

耐クリープ金属材料は非晶質金属を含んでもよい。非晶質金属の例は、少なくともＮｉ、Ｗ及び鉄（Ｆｅ）から成る合金を含み、この合金は、約８０原子％以上のＮｉ、約１〜２０原子％のＷ及び約１原子％以下のＦｅを含む。このような材料は、長周期原子規則性の欠如を特徴とし、一般に、塑性変形に対する耐性が相対的に高いと考えられる。多くの場合に多様な原子サイズを有する多くの異なる元素を混合することにより、多くの非晶質合金が形成される。従って、液体状態からの冷却中、成分原子が平衡結晶状態に配位されることはありえない。非晶質金属の他の例には、５５原子％のパラジウム（Ｐｄ）、２２．５原子％の鉛及び２２．５原子％のアンチモン；４１．２原子％のジルコニウム（Ｚｒ）、１３．８原子％のチタン（Ｔｉ）、１２．５原子％の銅（Ｃｕ）、１０原子％のＮｉ及び２２．５原子％のベリリウム；及びＺｒ系、Ｐｄ系、Ｆｅ系、Ｔｉ系、Ｃｕ系又はマグネシウム系の非晶質合金があるが、それらに限定されない。

耐クリープ金属材料は非磁性であってもよい。例えば、梁１０４は、アルミニウム、プラチナ、銀及び／又はＣｕから形成されてもよい。梁１０４を非磁性材料から形成することにより、強磁界が存在する場所でスイッチ構造１００が動作することが期待される磁気共鳴の撮影用途などの環境におけるスイッチ構造の使用が容易になる。

先に説明した図１のスイッチ構造１００のようなスイッチ構造は、従来の超小型デバイス製造技術を使用して基板上に製造されてもよい。例えば、図６Ａ〜図６Ｅを参照すると、例示的な一実施形態に従って構成されるスイッチ構造を製造する方法の概略図が示される。まず、電極２１０及び接点２０２が配設された基板２０８が提供されてもよい。次に、例えば、蒸着により二酸化ケイ素２３０がその上に堆積されてもよく、更に電極２１０及び接点２０２を封入するように二酸化ケイ素２３０のパターンが形成されてもよい（図６Ａ）。次に、電気めっきにより、薄い接着層２３２（例えば、チタン）、シード層２３４（例えば、金）及び金属層２３６（例えば、Ｎｉ‐４原子％Ｗ）が堆積されてもよい（図６Ｂ）。更に、フォトレジスト２３８が塗付され、従来のフォトリソグラフィ技術を使用してパターンが形成されてもよいだろう（図６Ｃ）。その後、梁２０４を形成するために、金属層２３６、シード層２３４及び接着層２３２がエッチングにより除去され、続いて、フォトレジストが除去されてもよいだろう（図６Ｄ）。最後に、梁２０４を支持し且つ電極２１０及び接点２０２を封入する二酸化ケイ素２３０が除去されてもよいだろう。その後、例えば、約３００〜４５０℃の温度で、梁２０４は保護キャップにより封入されてもよい。

本発明のある特定の特徴のみを図示し且つ説明したが、当業者には多くの変形及び変更が明らかだろう。例えば、図１のスイッチ構造１００の導電性素子は片持ち梁として例示されたが、例えば、両持ち梁、ねじり素子及び／又はダイアフラムを含む他の変形可能な接点構造も可能である。更に、時間依存変形を抑止するように構成された１つの非晶質金属層を有する梁が説明されたが、他の実施形態は、各層（又は大部分の層）が時間依存変形を抑止するように構成されている複数の金属材料層から実質的に形成される梁を含んでもよい。従って、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神の範囲内に入るそのような変形及び変更のすべてを含むことを意図すると理解されるべきである。

１００スイッチ構造
１０２接点
１０４片持ち梁
１０６アンカー
１０８基板
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電気的負荷
２０２接点
２０４梁
２０８基板
２１０電極
２３０二酸化ケイ素
２３２接着層
２３４シード層
２３６金属層
２３８フォトレジスト

Claims

接点（１０２）と；
実質的に金属材料から形成され且つ時間依存変形を抑止するように構成された導電性素子（１０４）とを具備し、前記導電性素子は、前記導電性素子が前記接点から離間される第１の位置と、前記導電性素子が前記接点と接触する第２の位置との間で変形可能であるように構成される装置。
前記金属材料は、前記金属材料の降伏強さの少なくとも約２５％の応力及び前記金属材料の溶融温度の１／２以下の温度にさらされた場合に１０^-13ｓ^-1未満の最大定常状態塑性歪み速度を示すように構成される、請求項１記載の装置。
前記導電性素子は、片持ち梁、両持ち梁、ねじり素子及びダイアフラムより成る群から選択された構造を含む、請求項１記載の装置。
前記接点及び前記導電性素子は、超小型電気機械装置又はナノ電気機械装置の一部である、請求項１記載の装置。
前記金属材料が７００℃以上の溶融温度を有する、請求項１記載の装置。
前記金属材料が４０℃を超える温度で時間依存変形を抑止するように構成される、請求項１記載の装置。
基板（１０８）を更に具備し、前記接点及び前記導電性素子の各々は、前記基板の上に配設される、請求項１記載の装置。
前記金属材料が少なくともニッケル及びタングステンの合金を含む、請求項１記載の装置。
異なる電位の第１の側（１１６）及び第２の側（１１８）を有する回路（１１４）を更に具備し、前記導電性素子が第１の位置と第２の位置との間で変形することにより、前記導電性素子に電流を流すか又は前記導電性素子を流れる電流を遮断するように、前記接点及び前記導電性素子のうち一方は、前記回路の第１の側及び第２の側のうち一方の側に接続され且つ前記接点及び前記導電性素子のうち他方は、前記回路の第１の側及び第２の側のうち他方の側に接続される、請求項１記載の装置。
第１の側は、１ｍＡ以上の大きさ及び約１ｋＨｚ以下の振動周波数を有する電流を供給するように構成された電源（１２０）を含む、請求項９記載の装置。
前記導電性素子は、前記金属材料の溶融温度の３０％未満の周囲温度で前記導電性素子に電流を流すか又は前記導電性素子を流れる電流を遮断するために第１の位置と第２の位置との間で変形されるように構成される、請求項９記載の装置。