JP2018529953A - 微小電気機械デバイス用の電極 - Google Patents

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Abstract

微小電気機械デバイス構造は、支持構造ウエハ（３１０）を含む。キャビティ電極（１３０）は、支持構造ウエハ中のキャビティ内に形成される。キャビティ電極は、キャビティの基部から機能層（３００）に向かって突出構造を形成し、キャビティ電極は所定の電位に接続される。キャビティ電極は、支持構造ウエハ中のキャビティ内のシリコンカラムを含み、キャビティによって部分的にまたは全体的に囲まれる。１つ以上のキャビティ電極が、機能層内で発生する振動の周波数を調節するために利用され得る。

Description

本発明は、独立請求項のプリアンブルに定義されるような微小電気機械デバイスに関する。そのような微小電気機械デバイスの具体例として、ジャイロスコープを示している。
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、少なくともいくつかの要素が機械的な機能性を有する最小化された機械および電気機械システムとして定義され得る。ＭＥＭＳデバイスは、集積回路の作成に使用される同じツールを使用して作成されるため、マイクロマシンとマイクロエレクトロニクスを同じシリコン上に作成して高度なデバイスを実現することができる。ＭＥＭＳ構造は、物理的性質の微少変化を迅速かつ正確に検出するために適用され得る。例えば、微小電気機械ジャイロスコープは、微小な角変位を迅速かつ正確に検出するために適用され得る。動作には６つの自由度がある：３つの直交する方向の並進および３つの直交する軸の周りの回転を含む。後者の３つは、ジャイロスコープとして知られている角速度センサによって測定されてもよい。ＭＥＭＳジャイロスコープは、コリオリ力を使用して角速度を測定する。質量が一方角に移動して回転角速度が加えられると、質量はコリオリ力の結果として直交方向に力を受ける。コリオリ力によって生じる物理的変位は、例えば、容量性、圧電性またはピエゾ抵抗性の検知構造で読み取ることができる。
ＭＥＭＳジャイロスコープでは、一次運動は、通常、適切なベアリングの不足により従来のジャイロスコープと同様に、連続的な回転ではない。代わりに、機械的振動を一次運動として使用してもよい。振動ジャイロスコープが一次運動の方向に直交する角運動を受けると、波状のコリオリ力が生じる。これは、一次運動及び角運動の軸に直交し、かつ、一次振動の周波数で二次振動を生成する。この連成振動の振幅は、角速度の基準として使用することができる。
ジャイロスコープは、非常に複雑な慣性ＭＥＭＳセンサである。ジャイロスコープ設計の基本的な課題は、コリオリ力が非常に小さいことである。したがって、生成された信号は、ジャイロスコープに存在する他の電気信号に比べて非常に小さい傾向がある。スプリアス応答および振動に対する感受性は、多くのＭＥＭＳジャイロスコープ設計を困難にしている。
米国特許第７３２５４５１号明細書に記載されているような高度な従来技術のＭＥＭＳジャイロスコープ設計では、外部印加角速度が、２つの平行に配置された平面振動質量に逆位相運動を誘発するように構成される。この運動は、線形容量性櫛形電極で検出することができる。特定の従来技術構成のＺ軸周りの一次運動とＸ軸周りの検出運動の明確な振動方向によって、一次モード振動と検出モード振動とは効果的に隔離され、その結果、外部衝撃に非常に鈍感な頑丈なセンサ構造が提供されている。
ジャイロスコープまたは他のタイプの微小電気機械センサなどの検出デバイスのようなキャビティ・シリコン・オン・インシュレータ（ＣＳＯＩ）ＭＥＭＳデバイスでは、構造ウエハ（別名、機能ウエハ）と呼ばれるシリコンの層がパターニングされて、微小電気機械センサデバイスの機能部分の大部分が形成される。そのような機能部分は、例えば、容量性櫛形構造のような動作、励起および検出構造をガイドする、振動質量、スプリングおよびビームのような可動部、および、それらの電気的な接続を含んでもよい。櫛形構造は、部分的にのみ可動であってもよく、例えば、櫛の半分が可動電極（回転子電極）であり、残りの半分が固定電極（固定子電極）を形成する。さらに、機能層には、懸架構造（アンカー）などの非可動支持構造を形成してもよい。ハンドルウエハ、すなわち、基板は、典型的には、ＭＥＭＳデバイスに対する機械的に剛性な支持構造を形成する。従来のＭＥＭＳデバイスでは、ハンドルウエハはデバイスの電気的受動部である。典型的には、基板（すなわち、ハンドルウエハに固定されたカバーまたはキャップは、ＭＥＭＳデバイス構造を包み込む。その結果、基板およびキャップは共に、外部条件からＭＥＭＳセンサデバイスを保護するケーシングを形成する。あるいは、機能層は、基板およびキャップによって形成されるケーシングに壁を提供する固定フレーム構造を含んでもよい。環境保護は、構造の可動部分の動きを制限しないＭＥＭＳデバイスの機能部分に必要とされることがある。例えば、上記の構造では、可動質量および励起構造は、ハンドルウエハとキャップウエハの間に封入される機能層内にあり、キャビティはしばしばハンドルウエハおよび／またはキャップウエハ内に形成され、構造ウエハの可動部分が保護キャップおよび／または基板と接触することなく移動することを可能にする。従来の加速度計およびジャイロスコープは、外界との機械的接触がないため、最も容易なＭＥＭＳデバイスの１つと考えられてきた。
意図された機能状態では、ジャイロスコープの一次モード振動および二次モードすなわち検出モード振動の周波数は、実質的に一致する。しかしながら、製造工程における理想的にはならない特性が原因で、上述の振動モードの一方または両方で、意図された振動周波数から外れることがある。その結果、両モード間の周波数が完全には一致しないために、ジャイロスコープの機能性に問題をもたらす。上述の振動モードの一方または両方の共振周波数は、２つの振動モードが実質的に一致するように、電気的に調整されてもよい。この調整は、調整されるべき振動モードの方向に対して直角に配置された容量電極を使用することにより実施され得る。そして、容量電極間の静電力は、主に、調整されるべき振動モードの方向にある。本質的な一致は、ここでは、２つのモードの周波数分離がほぼ０〜１００Ｈｚの範囲にあることを意味する。従来、周波数の調整は、機能層内の平行板櫛を使用して、またはキャップウエハに平面金属電極を配置して実施されている。
米国特許出願公開第２００８／０１６８３８号明細書は、キャップウエハ上の金属電極を開示している。米国特許出願公開第２００４／０２１４０３号明細書は、ＳＯＩ基板のハンドル層と共振器本体との間に配置されたコンデンサに直流電圧を印加することにより、中心周波数の微調整のための構成を有する圧電共振器を開示している。平坦なハンドル層と共振器本体との間にギャップが形成されるように、これらの２つの間の酸化物の層をエッチング除去する。その結果、チューニング効果が電気的に調整可能となる。
当業者に知られているように、容量性周波数の調整を実行するための機能原理は、異なる電位を有する２つの電極間の静電容量の変化によって生じる静電効果に基づく。一方の電極は固定されていてもよく、他方の電極は移動してもよい。つまり、可動質量に取り付けられていてもよいし、可動質量で構成されていてもよい。このような移動する電極を可動電極と呼ぶ。２つの電極間の相対距離が変化すると、２つの電極間の静電容量が変化し、２つの電極間の静電力が変化する。この力は、２つの電極間の電位差を制御することによって力学的に調節され得る。典型的な場合には、振動の周波数の調節するために、電極の少なくとも１つにＤＣバイアス電圧が印加される。
静電容量方式で周波数を調整するための平行板櫛の使用に関する問題は、それらが比較的大きなシリコン領域を必要とし、その結果、機能要素をより大きくし、センサデバイス全体をより大きく、より嵩高くすることである。また、多数の平行櫛は、外力の影響により一変化しやすく、これにより、周波数調整の精度が低下する。さらに、平行板櫛の間隔は、製造工程では理想の通りにはできないために製造時に変動し得るため、周波数を調節するために必要とされる静電力に対してより多くの変動を引き起こす。平面金属電極をキャップウエハに配置する際の問題は、キャップウエハに対する追加の処理工程を必要とするかもしれないということである。キャップウエハに取り付けられた金属電極を使用する際の問題は、しばしば、キャップウエハがパッケージ起因の歪みの影響を受けやすいため、周波数調節の精度が低下することである。さらに、いくつかの製造工程では、キャップウエハの間隔は、製造時にさらに変動するため、周波数を調整するために必要とされる静電力に対してより多くの変動を引き起こす。微調整コンデンサ電極としてハンドルウエハの平坦な表面を利用することは、可動電極と比較して、コンデンサのサイズおよび位置を調整する能力を欠くため、周波数調節の感度を調整する能力を欠く。さらに、ハンドルウエハと可動部との間の距離が非常に短いため、２つの電極が互いに接触する、または、互いに固着する危険性がある。
米国特許出願公開第２００８／０１６８３８号明細書 米国特許出願公開第２００４／０２１４０３号明細書
微小電気機械デバイスの機能層は、当該デバイスの少なくとも可動部を含む当該デバイスの層を指す。
支持構造ウエハという用語は、ハンドルウエハおよび／またはキャップウエハを指す。
支持構造ウエハは、機能層のための機械的に堅い支持構造を形成する。支持構造ウエハは、シリコンウエハのような単一の均質な材料層を含んでもよく、または、機械的に堅く、実質的に非可撓性の絶縁材料層で互いに取り付けられた２以上の均質なウエハ層および層部分を含んでもよい。シリコンウエハに有用なこのような絶縁材料層の一例は、二酸化シリコン層である。絶縁材料層を有する層および／または層部分中の支持構造ウエハの分割により、これらの部分の電位を個別に調整することができる。
ベース層という用語は、水平に分割された支持構造ウエハの機械的に安定で剛性な部分を形成する層を指し、この層は、機能層から離間されて配置される。ベース層の表面は、微小電気機械デバイスの平坦な外面を形成してもよい。最上層という用語は、微小電気機械デバイスの機能層に向かって配置され、ベース層と機能層との間に存在する、水平に分割された支持構造ウエハの層を指す。構造ウエハの最上層は、機能層の少なくともいくつかの部分と電気的に相互作用する機能部分を含んでもよい。ベース層および最上層という用語は、微小電気機械デバイスの機能層および外部表面に関連する層の位置によって定義され、層の配向を限定するものとして理解されるべきではないことを理解されたい。
キャビティという用語は、シリコンウエハのような実質的に平坦なウエハの表面上の窪んだ領域を指す。キャビティはウエハの表面で凹部を形成してもよい。キャビティは支持構造ウエハの面に形成されてもよい。支持構造ウエハが水平に分割される場合、キャビティは最上層の面で形成されてもよい。
本発明は、先行技術の欠点を克服するためのデバイスおよび方法を提供することを目的とする。
本発明の目的は、請求項１の特徴部分による微小電気機械デバイス構造によって達成される。
発明の好ましい実施形態は、従属請求項に開示されている。
本発明は、支持構造ウエハ内の微小電気機械デバイス用のキャビティ電極を作成するという考えに基づいている。これらのキャビティ電極は、デバイス内の可動質量の振動周波数を調整するために使用されてもよい。
第１の態様によれば、第１の材料を含む少なくとも１つの支持構造ウエハと、機能層、および第１の材料に類似する第２の材料のキャビティ電極と、を含む微小電気機械デバイス構造が提供される。キャビティ電極は、支持構造ウエハ中のキャビティ内に形成される。キャビティ電極は、支持構造ウエハの少なくとも一部と電気的に接続されている。キャビティ電極と、支持構造ウエハの少なくとも一部とは、所定の電位に接続されるように構成される。
第２の態様によれば、キャビティ電極は、それが形成される支持構造ウエハの少なくとも一部の実質的に均質な構造材料層の一体の部分を形成する。
第３の態様によれば、キャビティ電極は、キャビティの基部から機能層に向かって突出構造を備える。
第４の態様によれば、キャビティ電極は、支持構造ウエハの少なくとも一部に少なくとも部分的に含まれるキャビティ内のシリコンカラムを備える。
第５の態様によれば、キャビティ電極は、平行平板コンデンサの電極として使用されるように配置され、平行平板コンデンサの可動電極は、当該デバイスの機能層の中で実質的に平坦な可動要素に結合される。
第６の態様によれば、平行平板コンデンサは、微小電気機械デバイスにおいて発生する機械的振動の周波数を調整するために使用されるように配置される。
第７の態様によって、周波数の調整は、ｉ）キャビティ電極の電位を調整すること、ｉｉ）機能層中に配置された可動電極の電位を調整すること、の少なくとも１つによって達成される。周波数は、平行平板コンデンサの２つの電極間の相対ＤＣ電位を変化させることによって調整可能である。
第８の態様によれば、キャビティ電極は、支持構造ウエハの少なくとも一部と機能層との間に配置された少なくとも１つの導電性プラグを介して設定電位に接続されるように構成される。少なくとも１つの導電性プラグは、支持構造ウエハの少なくとも一部と機能層との間の絶縁材料層を貫通して延在する。
第９の態様によれば、キャビティ電極は、支持構造ウエハのベース層と支持構造ウエハの最上層との間に配置された少なくとも１つの導電性プラグを介して設定電位に接続されるように構成される。少なくとも１つの導電性プラグは、ベース層と支持構造ウエハの最上層との間の絶縁材料層を貫通して延在する。
第１０の態様によれば、支持構造ウエハは、ハンドルウエハおよびキャップウエハの少なくとも１つを含む。
第１１の態様によれば、デバイス構造は、同じ電位に電気的に接続された少なくとも２つのキャビティ電極を含む。
第１２の態様によれば、デバイス構造は、少なくとも２つの導電性プラグを介して少なくとも２つの異なる電位に電気的に接続可能な少なくとも２つのキャビティ電極を含み、各支持構造ウエハは、絶縁構造材料層によって少なくとも２つの部分に分割され、当該少なくとも２つの部分は、異なる電位に電気的に接続可能な各キャビティ電極のための少なくとも１つの部分を含む。
第１３の態様によれば、機能層内に形成された少なくとも１つの検出電極は、キャビティ電極上に配置され、当該少なくとも１つの検出電極は、絶縁材料層によってキャビティ電極から電気的に絶縁される。
第１４の態様によれば、機能層内に形成された少なくとも１つの懸架構造は、キャビティ電極上に配置され、当該少なくとも１つの懸架構造が絶縁材料層によってキャビティ電極から電気的に絶縁される。
第１５の態様によれば、デバイスはセンサを備える。
第１６の態様によれば、デバイスはジャイロスコープを備える。
別の態様によれば、微小電気機械デバイスにおいて発生する機械的振動の周波数を調整する方法であって、上記態様のいずれかの微小電気機械デバイス構造の提供と、機械的振動の周波数の調整とを含む。調整は、キャビティ電極の電位の調整と、機能層中に配置された可動電極の電位の調整との少なくとも１つを含む。周波数は平行平板コンデンサの２つの電極間の相対ＤＣ電位を変化させることによって調整可能である。
本発明は、支持構造ウエハ内に形成されたキャビティ電極が機械的に安定であり、機能層または金属内に電極を有する既知の溶液よりも周波数調整が安定し、素子のパッケージングに起因する歪みの影響を受けにくくするという利点を提供する。キャップウエハ内の電極に印加することにより、微小電気機械センサ素子の共振周波数を精度よく調整することができる。特に、ハンドルウエハは、機械的に安定した剛性な構造であることが知られている。したがって、キャビティ電極を配置するための好ましい選択肢を提供する。しかしながら、いくつかの製造工程では、キャップウエハは、キャビティ電極位置として機能するのに十分に剛性で安定であり、いくつかの実施形態では、キャビティ電極の配置により好適になるようにキャップウエハの厚さを増加させてもよい。さらに、懸架構造（別名、アンカーポイント）および検出電極のような機能層の機械的または電気的機能要素は、キャビティ電極に電気的な（ガルバニック）接続なしにキャビティ電極に（キャビティ電極の上または下に）配置されてもよい。絶縁材料層は、後に絶縁機能要素と呼ばれ、機能要素をキャビティ電極から電気的に絶縁するためにキャビティ電極と機能要素との間に設けられる。単純化のために、仮に絶縁体材料層のような少なくとも１つの中間材料層がその間に設けられていても、このような構造の積層を示す用語「上に（ｏｎ）」という用語を使用する。このような分離された機能要素がキャビティ電極上に形成される場合、ガルバニック接続は対向するウエハを介して当該分離された機能要素に提供されてもよい。分離された機能要素がハンドルウエハ上に存在する場合、ガルバニック接続はキャップウエハ側から提供されてもよく、当該分離された機能要素がキャップウエハ上に存在する場合、ガルバニック接続はハンドルウエハ側から提供されてもよい。そのような直流電気の接続は、例えば、分離された検出電極で検出された電気信号を得るために使用されてもよい。一方、キャビティ電極上に配置された当該分離された機能要素がアンカー構造または懸架構造である場合、電気的／ガルバニック接続は必ずしも必要ではない。
少なくとも１つのキャビティ電極を使用する提示された解決策は、既知の解決策からの機能層中の要素の達成可能な面外運動の品質係数（Ｑ値）を改善させる。キャビティ電極の位置および／またはサイズを適切に選択することによって、周波数調整の有効性は調整されてもよく、当該電極の機能部分の動作中の電極間の望ましくない接触および当該電極同士の固着を回避することができる。
以下では、添付の図面を参照しながら、好ましい実施形態に関して本発明をより詳細に説明する。
図１ａは、一次運動におけるジャイロスコープ構造を示す図である。 図１ｂは、二次運動における上記ジャイロスコープ構造を示す図である。 図２は、キャビティ電極を備えたジャイロスコープ構造を示す図である。 図３は、キャビティ電極を備えた第１の例示的な微小電気機械センサデバイスの断面を示す図である。 図４は、互いに異なる電位を有し得るキャビティ電極を含む第２の例示的な微小電気機械センサデバイスの断面を示す図である。 図５は、接着されたキャップウエハを用いて、互いに異なる電位を有し得るキャビティ電極を含む第３の例示的な微小電気機械センサデバイスの断面を示す図である。 図６は、１つのキャビティおよび複数のキャビティ電極を備えるハンドルウエハを示す図である。 図７は、１つのキャビティおよび１つのキャビティ電極を備えるハンドルウエハを示す図である。 図８は、ハンドルウエハおよびキャップウエハの両方におけるキャビティ電極を含む第４の例示的な微小電気機械センサデバイスの断面を示す図である。
開示された実施形態では、ハンドルウエハの中に１つ以上のキャビティ電極が設けられた解決策が示される。代替的に、同様のキャビティ電極構造をキャップウエハの中に設けることができ、当該構造を逆に切り替えることにより例示され得る。実施形態は例示的なものに過ぎないが、寸法は実際の物理デバイスの寸法から逸脱する可能性がある。
図１ａおよび図１ｂは、本発明が適用され得る例示的なジャイロスコープ構造の機能層を示す。図１ａは、そのようなジャイロスコープ構造の例示的な一次運動を示し、図１ｂは、二次運動を示す。説明のために、質量の移動の大きさは幾分誇張されているため、一部の質量は、特に、一次運動において重なり合って見えることがある。実際の装置では、実際の動きの大きさ（振幅）がより小さく、同じ平面内の要素については重なり合いが生じない。
例示的なジャイロスコープ構造は、平坦な第１の振動質量（１００ａ）と、平坦な第２の振動質量（１００ｂ）と、第１の振動質量（１００ａ）および第２の振動質量（１００ｂ）を他の本体要素（不図示）上に懸架するための懸架構造（１０２ａ、１０２ｂ）と共に配置される第１のばね構造（１０１ａ、１０１ｂ）と、を備え、第１の振動質量（１００ａ）の平面および第２の振動質量（１００ｂ）の平面は、当該デバイスの基準面を形成する。この基準面は、静止しているとき、すなわち、いかなる運動にも励起されなかったとき、これらの質量の平面に相当する。上述の他の本体要素は、例えばハンドルウエハまたはキャップウエハであってもよい。２つの振動質量（１００ａ、１００ｂ）は互い平行な位置にある。静止状態では、それらのより長い端は、実質的に非ゼロの距離分離された２つの平行な軸（ｙ、ｙ’）に沿って整列される。
微小電気機械ジャイロスコープ構造はまた、励起手段（１１０）および第１の検出手段（１２０）を含む。この例では、励起手段（１１０）は、容量性の線形櫛型構造を含む。図１ａおよび図１ｂは、励起線形櫛型構造の移動の半分のみを示しているが、線形櫛型構造の対応する固定電極を形成する櫛の固定部分は、明瞭性の理由から図示を省略している。当業者は、励起状態の櫛がどのように機能をするかを理解している。このような線形櫛型構造の代わりに、圧電素子を励起に用いてもよい。当業者に知られているように、圧電励起は、典型的には、ばねに取り付けられた励起手段を用いて行われる。
第１のばね構造は、ハンドルウエハまたはキャップウエハなどの他の本体要素に第１の振動質量（１００ａ）を取り付けるための第１の振動質量（１００ａ）の平面内にある第１の懸架構造（１０２ａ）と、アンカーまたはアンカーポイントとも呼ばれる第１の懸架構造（１０２ａ）と第１の振動質量（１００ａ）との間に取り付けられた第１のばねアセンブリ（１０１ａ）と、を備え、第１のばねアセンブリ（１０１ａ）は、当該デバイスの平面に対して垂直な第１の励起軸（ｚ）の周りで第１の振動質量（１００ａ）の回転振動を可能にする。さらに、第１のばね構造は、ハンドルウエハまたはキャップウエハなどの他の本体要素に第２の振動質量（１００ｂ）を取り付けるための第２の振動質量（１００ｂ）の平面内にある第２の懸架構造（１０２ｂ）と、アンカーまたはアンカーポイントとも呼ばれる第２の懸架構造（１０２ｂ）と第２の振動質量（１００ｂ）との間に取り付けられた第２のばねアセンブリ（１０１ｂ）と、を備え、第２のばねアセンブリ（１０１ｂ）は、当該デバイスの平面に対して垂直な第２の励起軸（ｚ’）の周りで第２の振動質量（１００ｂ）の回転振動を可能にする。第１の励起軸（ｚ）および第２の励起軸（ｚ’）のおおよその位置が見て分かるように図面中に図示されている。第１の励起軸（ｚ）および第２の励起軸（ｚ’）は、当該デバイスの平面（ｘ−ｙ平面）内の非ゼロの距離分離されている。
第１のばねアセンブリは、当該デバイスの平面内にある第１の検出軸（ｘ）の周りの第１の振動質量（１００ａ）の回転振動も可能に、第２のばねアセンブリは、当該デバイスの平面内にある第２の検出軸（ｘ’）の周りの第２の振動質量（１００ｂ）の回転振動も可能にする。第１の検出軸（ｘ）および第２の検出軸（ｘ’）は、共通の補助軸（不図示）と位置合わせされる。この回転振動は、コリオリ力によって引き起こされるジャイロスコープの二次振動と呼ばれることがある。二次振動を図１ｂに示す。
励起手段（１１０）は、第１および第２の励起軸（ｚ、ｚ’）の周りで反対の位相でそれぞれ振動するように、第１の振動質量（１００ａ）および第２の振動質量（１００ｂ）を駆動するように構成される。
検出手段（１２０）は、第１の検出軸（ｘ）の周りの第１の振動質量（１００ａ）の回転振動および第２の検出軸（ｘ’）の周りの第２の振動質量（１００ｂ）の回転振動を検出するように構成される。好ましくは、第１および第２の振動質量の回転振動は、逆位相である。提示された例示的なデバイスでは、励起動作は線形櫛型構造（１１０）で実施されており、一次振動および二次振動の両方の検動作も線形櫛型構造で実施されている。２つの振動要素（１００ａ、１００ｂ）の励起振動および検出振動の両方が逆位相で生じるとき、このジャイロスコープにおける検出は完全に差動型であってもよく、それは衝撃および振動に対して高い耐性を可能にし、当該デバイスをデバイスのパッケージングによって引き起こされる外乱の影響を受けにくくする。
図１ａは、例示的なジャイロスコープデバイスの一次振動を示す。第１および第２の振動質量（１００ａ、１００ｂ）の一次振動は、励起手段（１１０）によって駆動され、励起フレーム（１０５）を実質的に当該デバイスの平面内でｙ軸方角に実質的に線形振動で振動させる。励起フレーム（１０５）と第１および第２の振動質量（１００ａ、１００ｂ）との間に配置された多数のばねは、励起フレーム（１０５）の振動を振動質量（１００ａ，１００ｂ）に伝達し、同時に振動質量（１００ａ，１００ｂ）の誘発された一次振動の軸を変化させる。その結果、それらの一次振動は、実質的に意図された主軸（ｚ，ｚ’）の周りにそれぞれ発生する。
図１ｂは、第１および第２の振動質量（１００ａ，１００ｂ）に影響を与えるコリオリ力によって引き起こされる、ジャイロスコープデバイスの二次振動を示している。第１の振動質量（１００ａ）と第２の振動質量（１００ｂ）との間に結合された結合レバー（１０８）は、振動質量（１００ａ、１００ｂ）の二次振動の位相を互いに実質的に逆にする。
注意深く設計されているが、図１ａおよび図１ｂに記載されたジャイロスコープは、振動質量（１００ａ、１００ｂ）の一次振動および二次振動の周波数が同じではなく、製造工程では理想の通りにはできないために周波数に分散が導入されるという問題を有するかもしれない。これは、次に、利得変動およびオフセットの少なくとも１つを誘発する場合がある。この問題に対する解決策は、二次振動の周波数を調整するために使用されるキャビティ電極を導入することにより見出された。容量性電極がｚ軸方向に静電力を生じさせると、２つの周波数が実質的に同じになるように、二次振動の周波数が低減され得る。
図２は、振動質量（１００ａ、１００ｂ）のｚ軸方向の振動周波数を調整する能力を有するジャイロスコープ要素を示す。言い換えると、キャビティ電極は、デバイスウエハの平面外に発生する振動の周波数を調整するために使用される。この能力は、検出動作の周波数の電気的調整を可能にするための多くのキャビティ電極（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ）を導入することにより生成される。キャビティ電極（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ）の材料は、導電性であることが好ましい。図２では、機能層（３００）の真下のハンドルウエハ中に形成された例示的なキャビティ電極（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ）の位置は、ジャイロスコープ要素の各角の近くのグレーの領域で示されている。固定電極として動作する各キャビティ電極（１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄ）と、その上に位置する振動質量（１００ａ，１００ｂ）または振動質量に取り付けられた平面電極の領域によって形成された可動電極との組合せで、調整可能な容量性要素が形成される。結果として、実際にはこの組合せで平行平板コンデンサが形成される。個別の電極が振動質量（１００ａ、１００ｂ）に付けられていない場合、各キャビティ電極（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ）と同じ位置に重なる振動質量の面積は、平行平板コンデンサの可動電極として動作する。電極が振動質量（１００ａ、１００ｂ）に取り付けられると、取り付けられた電極の各キャビティ電極（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ）と同じ位置にある（重なる）領域によってコンデンサの可動電極が形成される。可動電極という用語は、振動質量（１００ａ，１００ｂ）に結合される電極で、例えば上記の構成、または機能層（３００）内で振動質量に結合させるための任意の代替的な構成によって当該質量と共に動く電極を指して用いる。可動電極は、振動質量の動きに従って動く。周波数の調整は、可動電極およびキャビティ電極により形成されたこの平行平板コンデンサの２つの電極間の電位差を調節することにより達成される。
複数の平行平板コンデンサが１つのジャイロスコープに導入されてもよい。それぞれの振動質量（１００ａ、１００ｂ）上に対称的な力を生じさせるために、キャビティ電極（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ）は、調整のために使用される振動軸の両端に対照的に配置されることが好ましい。この例では、キャビティ電極１３０ａおよび１３０ｃは、ｘ軸に関して第１の振動質量（１００ａ）の真下に対称的に配置され、ｘ軸から等距離に離れて配置され、キャビティ電極１３０ｂおよび１３０ｄは、ｘ’軸に関して第２の振動質量（１００ｂ）の真下に対称的に配置され、ｘ’軸から等距離に離れて配置される。
一実施形態では、固定キャビティ電極（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ）は、接地電位（０Ｖ）に設定され、可動振動質量（１００ａ、１００ｂ）側の電極のＤＣ電位は、周波数調整のために調整される。この構成には、以下の利点がある。キャビティ電極（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ）は素子の外面のかなりの部分を形成するハンドルウエハの一部であるが、デバイスの外面には非ゼロのＤＣ電位は見られない。しかしながら、周波数調整のためには、２つの電極間の相対電位のみが重要であり、各キャビティ電極（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ）の電位は、任意の電位に交互に設定されてもよい。各容量性電極対の両方または一方の電極の電位は、調整可能になり得る。
固定キャビティ電極と可動電極との間の電位差が変化しない場合、２つの電極間の力は２つの電極間の距離に依存して変化する。
このような平行平板コンデンサの構成では、共振器の周波数ｆ０ｅは、以下のように、平行平板コンデンサの電極間の電位の２乗に比例する。
Figure 2018529953
ここで、ｆ０は、発振器の固有周波数、ａｖｃｆは周波数の電圧係数、Ｖは電位差である。
記載された構成では、平行平板コンデンサの平板電極は、振動質量の平面に沿って配列された２つの異なる平面に２つの実質的に平坦な電極によって形成され、このコンデンサによって生じる力は、振動質量／平板電極の平面に垂直な方向（ｚ、ｚ’）を有する。したがって、平行平板コンデンサは、デバイスの平面（デバイス層によって形成された平面）から生じる検出（二次）振動に影響を与える力を生成し、電極の相対的な電位を調節することにより、検出振動の周波数が変化する。励起振動は、コンデンサの平板の平面の方向、すなわち、振動質量の平面内で生じるが、平行平板コンデンサの変化は、一次（励起）振動の周波数（ｚ軸およびｚ’軸の周り）を変化させない。
代替デバイスでは、駆動振動および検出振動の方向を異なるように選択してもよい。
駆動振動が振動質量の平面からのｚ軸方向に生じる場合、平行平板コンデンサは駆動振動の周波数に影響を及ぼすことになる。振動質量の平面と同様の方向を有するキャビティ電極（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ）により形成された平面コンデンサの電極と、振動質量の平面において平坦な振動質量により有効に形成される、または当該振動質量に取り付けられる電極と、の間に生じる電位は、２つの電極の平面（ｘｙ）方向に垂直な振動質量（１００ａ，１００ｂ）の動きに影響を与える力が生じることが知られている。この力は、振動質量（１００ａ，１００ｂ）の動作の頻度を調整するために使用されてもよい。
当該例示的な構造は、さらに、各キャビティ電極（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ）の領域内の機能層内に配置された検出電極（１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄ）も備える。キャビティ電極の構成は、キャビティ電極（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ）上に追加の機能部品、電気的または機械的な部品を配置することを可能にする。この例では、各キャビティ電極（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ）上に第２の検出電極（１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄ）が配置され、キャビティ電極（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ）から電気的に絶縁されている、すなわち、キャビティ電極（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ）と電気的に接続されていない。第２の検出電極は、分離された機能要素の一例である。分離は、キャビティ電極と、キャビティ電極上に配置されたそれぞれの第２の検出電極との間の絶縁材料層に基づいてもよい。このような構成は、必要なシリコン領域を節約するデバイス設計を可能にする。検出電極の代わりに、キャビティ電極（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ）に懸架構造を配置してもよい。この種の解決策は、デバイスの機能層の設計においてより多くの柔軟性をもたらすだろう。
記載された例示的なジャイロスコープでは、励起振動には、キャビティ電極上の振動質量の平面内で移動する回転振動質量によってある程度の直角運動が付加されてもよく、この直角運動により励起振動の位相に二次信号成分が生じる。
励起振動における直角運動に対するこのわずかな付加は、範囲外にある他の既知の方法で補償することができるため、ここでは説明しない。
図３は、キャビティ電極（１３０）を有する微小電気デバイスの第１の例示的な断面を示す。キャビティ電極（１３０）は、例えば、ハンドルウエハ上の振動質量の真下に配置されたシリコンカラムなどの突出構造から構成される。先に述べたように、これらのキャビティ電極は、導電性材料を含む。一実施形態では、キャビティ電極の材料は、キャビティ電極（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ）が形成される支持構造ウエハの材料と同様の材料を含む。各キャビティ電極（１３０）は、ハンドルウエハ（３１０）のような支持構造ウエハの面上でのキャビティ（１３５）のベース層から機能層（３００）に向かって突出構造を形成する。シリコンカラムの位置、形状およびサイズは、完全に調整可能である。さらに、機能層（３００）とキャビティ電極（１３０）との間の間隔は、キャビティ電極（１３０）を形成するシリコンカラムの高さ、および、機能層内の構造の厚さおよび／または後退が完全に調整可能であるため、製造工程においても調整可能である。
これらのシリコンカラムは、例えばエッチング工程においてハンドルウエハ中にキャビティを形成するときにシリコンカラムの周りの材料を除去する工程を用いて製造することができる。または、キャビティ領域内にシリコンカラムを形成するための材料層を追加して、ハンドルウエハを表面のミクロ機械加工によってカラムを構築することができる。
従来のＭＥＭＳデバイスでは、ハンドルウエハ（３１０）は、電気的に受動の機械的な構造であり、特定の電位に接続されていないが、浮遊電位を有する。ハンドルウエハ（３１０）と機能層（３００）との間のシリコン酸化物絶縁層（３２０）は、２つを電気的に絶縁する。機能層（３００）に含まれる少なくとも１つの構造要素とハンドルウエハ（３１０）との間に少なくとも１つの導電性プラグ構造（３３０）を導入することによって、ハンドルウエハ（３１０）は、規定電位（Ｖ１）に接続されてもよい。少なくとも１つの導電性プラグ構造（３３０）は、機能ウエハ（３００）とハンドルウエハ（３１０）との間のシリコン酸化物層（３２０）などの絶縁材料層を貫通して延在してもよい。キャップ（３５０）は機能層（３００）を覆う。機能ウエハ（３００）の真下にあるハンドルウエハ（３１０）上に形成されたキャビティ電極（１３０）は、キャビティ（１３５）内でデバイスウエハ（３００）の可動要素から適切な距離を有していなければならず、可動要素の真下に形成され、可動要素が振動運動のための必要な空間を可能にする。この断面において異なるキャビティ（１３５）として示される領域は、実際には、キャビティ電極（１３０）の少なくとも１つを囲む同じキャビティの一部であってもよいことを理解されたい。
一方、キャビティ電極（１３０）は、キャビティ（１３５）によって単に部分的に囲まれていてもよい。キャビティ電極（１３０）は、少なくとも１つの導電性プラグ（３３０）を介して、規定電位（Ｖ１）に接続されてもよい。可動要素によって形成された電極の電位または可動要素に取り付けられた電極の電位は、この規定電位に対して調整されてもよい。この例では、少なくとも１つのキャビティ電極（１３０）を有するキャビティ（１３５）を含むハンドルウエハ（３１０）も同じ規定電位（Ｖ１）に接続される。このような導電性プラグ（３３０）は、必ずしもキャビティ電極（１３０）自体に直接結合する必要はないが、キャビティ電極（１３０）に電気的に接続された支持構造ウエハの部分内のどこにでも接続し得ることに留意すべきである。これらの電位の差により、振動の周波数を調整するために利用できる力が生じる。
別の実施形態では、機能層のさらなる機能要素（３４０）がキャビティ電極（１３０）上に機械的に取り付けられてもよい。機能要素（３４０）がキャビティ電極（１３０）から電気的に絶縁されるように、キャビティ電極（１３０）とさらなる機能要素（３４０）との間に絶縁材料層（３３０）が存在することが好ましい。例えば、機能要素（３４０）、キャビティ電極（１３０）上に配置され得る振動質量のような任意の機能要素を懸架するための検出電極（１４０）または懸架構造（１０２ａ、１０２ｂ）であってもよい。
一実施形態では、ハンドルウエハ全体が同じ電位に接続される。
図４は、第２の実施形態を示し、より具体的には、キャビティ電極（１３０ａ，１３０ｂ）を備える微小電気デバイスの簡略化された例示的な断面を示す。この第２の実施形態では、ハンドルウエハ（３１０）は、異なる電位（Ｖ１，Ｖ２）に接続され得る少なくとも２つの電気的に絶縁された部分に分割される。このようにして、センサデバイスの異なる部分に異なる電位差を有するキャビティ電極（１３０ａ、１３０ｂ）によって引き起こされるデバイスの可動要素に作用する力を互いに異なるようにすることができる。
図４に示す実施形態では、ハンドルウエハ（３１０）は、二酸化ケイ素などの絶縁材料層（３２０）によって互いに電気的に絶縁された少なくとも３つの主なハンドルウエハ部分（３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ）に分割されている。任意の他の適切な分離材料を選択してもよい。分割されたハンドルウエハ（３１０）は、少なくとも２つの層を含んでもよい。ハンドルウエハのための平坦で電気的に絶縁され機械的に剛性な本体を形成するベース層（３１０ｃ）と、少なくとも２つの最上層部分（３１０ａ，３１０ｂ）によって形成される最上層を含み、それらのいずれかまたはそれぞれが任意の数のキャビティ（１３５）およびキャビティ電極（１３０ａ，１３０ｂ）を含んでもよい。図４に示されるように、これらの電気的に絶縁された最上層部分（３１０ａ、３１０ｂ）の各々は、規定電位にそれぞれ少なくとも１つの導電性プラグ（３３０ａ、３３０ｂ）と電気的に接続され得る。そのため、キャビティ電極（１３０ａ、１３０ｂ）は互いに異なる電位を有することができる。したがって、その中に少なくとも１つのキャビティ電極（１３０ａ； １３０ｂ）を備えるキャビティ（１３５）の少なくとも一部を含むハンドルウエハ（３１０ａ； ３１０ｂ）の一部は、それぞれのキャビティ電極（１３０ａ，１３０ｂ）を用いて同じ規定電位に接続される。ハンドルウエハ（３１０）の２つの最上層部分（３１０ａ、３１０ｂ）の電位は、互いに同じであってもよく、異なっていてもよい。電位を導電性プラグ（３３０ａ、３３０ｂ）に分配するためのキャップウエハ（３５０）に関係する構成は、図示されていないことに留意されたい。
図４に示すように分割されたハンドルウエハ（３１０）構造は、２つの平面要素ウエハを互いに付着させることにより製造されてもよい。製造工程は、２つの分離された最上層部分（３１０ａ、３１０ｂ）を互いに電気的に絶縁するステップを含む。例えば、製造工程は、上述の電気的に絶縁された最上層部分（３１０ａ、３０１ｂ）に対応する部分に最上層を形成するウエハ層を垂直寸法で分割するために、最上層の全厚さにわたって延在する溝の形成し、この溝を絶縁材料で満たすステップを含んでもよい。ハンドルウエハ（３１０）を形成するためのベース層（３１０ｃ）を最上層（３１０ａおよび３１０ｂ）に取り付けることは、当業者に知られている任意の工程で実施されてもよい。例えば、融着法を用いてもよい。ベース層および最上層の取り付けは、最上層を電気的に絶縁された最上層部分に分割する前に、あるいは分割した後に行ってもよい。
図５は、キャビティ電極（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ）を備える微小電気デバイスの簡略化された第３の例示的な断面を示す。第２の実施形態と同様に、この第３の実施形態では、ハンドルウエハ（３１０）は、異なる電位に接続され得る少なくとも２つの電気的に絶縁された部分にも分割される。このようにして、センサデバイスの異なる部分に異なる電位差を有するキャビティ電極（１３０ａ、１３０ｃ； １０３ｂ）によって引き起こされる力を互いに異なるようにしてもよい。
図５の実施形態では、キャビティ電極（１３０ｃ）のうちの１つは、キャビティによって完全には囲まれていないが、電極はハンドルウエハ（３１０）に部分的に取り付けられている。しかしながら、キャビティ電極（１３０）は少なくとも２つの側面からキャビティ（１３５）によって取り囲まれていることが好ましい。同様に、この例では示されないが、２つのキャビティ電極（１３０）が互いに接続されてもよい。
図５はまた、接着剤層（３６０）、ガラス、またはシリコンウエハ層を互いに付着させることができる任意の他の適切な材料でキャップウエハ（３５０）がデバイスウエハ（３００）に取り付けられる実施形態を提示し、デバイスの可動部分を外部環境から密封する。
図６は、キャビティ（１３５）および４つのキャビティ電極（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ）を備えるハンドルウエハ（３１０）の斜視図を示す。これは懸架構造（アンカー）が示されていないことを除いて、図２のハンドルウエハ（３１０）を表すものと見做すことができる。キャビティ電極（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ）の位置、形状およびサイズは調節されてもよい。材料層における可動電極と横方向に重なるキャビティ電極（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ）の面積の大きさは、２つの電極間の容量性の力に直接的な影響を及ぼすだろう。キャビティ電極（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ）をｙ軸方向に移動させることによって、ロータ電極と、対応するキャビティ電極（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ）と、の間の静電力によって引き起こされる有効な力が変化するようになる。これは、この例示的な構成では、力によって引き起こされる運動量の軸の長さがｙ軸に沿って変化するためである。キャビティ電極（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ）がロータ質量およびそれに取り付けられた櫛型電極を含むロータ電極の下に完全に残っている限り、キャビティ電極（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ）がキャビティ（１３５）内でｘ軸に沿って移動させても力は変化しない。
上述した容量性電極によって引き起こされる力の有効な変化は、図１ａ、１ｂおよび２に示される特定のセンサデバイスに関することを理解すべきである。
図７は、キャビティ（１３５）と１つのキャビティ電極（１３０）とを備えるハンドルウエハ（３１０）の斜視図を示す。キャビティ電極の数、形状または位置は、その範囲から逸脱することなく形成され得ることを理解されたい。
他のさらなる実施形態では、機能層のさらなる機能要素（３４０）をキャビティ電極上に機械的に取り付けてもよい。機能要素（３４０）がキャビティ電極から電気的に絶縁されるように、絶縁材料層（３３０）は、キャビティ電極（１３０）とさらなる機能要素（３４０）との間に存在することが好ましい。例えば、機能要素（３４０）は、検出電極（１４０）、励起構造（１１０）、または、キャビティ電極（図示せず）上に配置され得る振動質量のような任意の機能要素を懸架するための懸架構造（つまり１０２ａ、１０２ｂ）であってもよい。
上記の全ての例は、ハンドルウエハ（３１０）上にキャビティ電極構造を有するが、同様の電極をキャップウエハ（３５０）に導入してもよいことに留意すべきである。機械的に剛性なキャップウエハ（３５０）を達成するために、キャップウエハ（３５０）の厚さを適切に調整する必要があり得る。
図８は、ハンドルウエハ（３１０）およびキャップウエハ（３５０）の両方にキャビティ電極を備える微小電気機械デバイスの第４の実施形態の断面図である。また、この実施形態では、ハンドルウエハおよびキャップウエハの両方が複数の部分に分割されていることが分かる。この例は、シリコン酸化物などの絶縁材料層（３２０）によって互いに電気的に絶縁された少なくとも３つの主なハンドルウエハ部分（３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ）に分割されたハンドルウエハ（３１０）を示す。また、４つの主なキャップウエハ部分（３５０ａ、３５０ｂ、３５０ｃ、３５０ｄ）に分割されたキャップウエハ（３５０）も見ることができ、それらはハンドルウエハ（３１０）と同様に絶縁材料層（３２０）によって互いに電気的に絶縁されている。任意の他の適切な分離材料を選択してもよい。分割されたハンドルウエハ（３１０）および／または分割されたキャップウエハ（３５０）は、両方とも、少なくとも２つの層を含んでもよい。ハンドルウエハ（３１０）またはキャップウエハ（３５０）のための平坦で電気的に絶縁され機械的に剛性な本体を形成するベース層（３１０ｃ； ３５０ｃ、３５０ｄ）および少なくとも２つの最上層部分（３１０ａ、３１０ｂ； ３５０ａ、３５０ｂ）を含み、任意の数のキャビティ（１３５）およびキャビティ電極（１３０ａ、１３０ｂ）を含んでもよい。ベース層（３１０ｃ； ３５０ｃ、３５０ｄ）は、キャップウエハのベース層部分（３５０ｃ、３５０ｄ）で示すように、２つ以上の電気的に絶縁された部分に分割されてもよい。この一例は、キャップウエハ（３５０ｃ、３５０ｄ）のベース層に見られ、絶縁材料層（３２０）もこの層を２つの電気的に絶縁された部分に分割する。図８に示すように、ハンドルウエハ（３１０）の電気的に絶縁された最上層部分（３１０ａ、３１０ｂ）の各々は、少なくとも１つの導電性プラグ（３３０ａ，３３０ｂ）と第１および第２の規定電位（Ｖ１，Ｖ２）とのそれぞれに電気的に接続されてもよい。したがって、キャビティ電極（１３０ａ、１３０ｂ）は、互いに異なる電位を有してもよい。同じ導電性プラグ（３３０ａ、３３ｂ）が機能層（３００）の一部をそれぞれの電位（Ｖ１，Ｖ２）に接続されてもよいことにさらに注目してもよい。ハンドルウエハ（３１０）の２つの最上層部分（３１０ａ、３１０ｂ）の電位は、互いに同じであってもよく、異なっていてもよい。ハンドル（３１０）またはキャップウエハ（３５０）における電気的に絶縁された最上層の数は２つに限定されず、２つ以上の領域は、当該領域間に絶縁材料層（３２０）を配置することにより、いずれかのウエハ（３１０，３５０）上に形成されてもよい。キャップウエハ（３５０）のキャビティ電極（１３０ｃ、１３０ｄ）は、導電性プラグまたはビア（３３０ｃ、３３０ｄ）を介して異なる電位に接続されてもよい。この例示的な実施形態では、第３のプラグ（３３０ｃ）は、キャップウエハ（３５０）のベース層（３５０ｃ）および最上層（３５０ａ）を第３の規定電位（Ｖ３）に接続し、第２のプラグは、キャップウエハ（３５０）のベース層（３５０ｄ）および最上層（３５０ｂ）を第４の規定電位（Ｖ４）に接続する。
規定電位（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４）は自由に選択することができ、これらの電位の任意の対は、互いに同じ電位または異なる電位を含んでもよい。
（製造方法）
微小電気機械デバイスは、ジャイロスコープのような検出装置であってもよく、周知のキャビティ・シリコン・オン・インシュレータ（ＣＳＯＩ）構造を用いて有利に実現される。一方、他のタイプの微小電気機械デバイスを製造するために同様の工程が使用されてもよく、本発明におけるキャビティ電極構造を有利に使用し得る。この構造は、ハンドルウエハ（３１０）と、機能層（３００）と、ハンドルウエハ（３１０）と機能層（３００）との間に絶縁層を形成する埋め込み酸化物層（すなわち、シリコン酸化物層）（３２０）と、カバーまたはキャップを備え、さらに、ウエハを備えてもよい。ハンドルウエハは、さらなる埋め込み酸化物層（３２０）によって電気的に絶縁された２つ以上の部分（３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ）を含んでもよい。機能層（３００）は、微小電気機械デバイスの可動部品を少なくとも全て含む。電気的接続、例えば金属の励起および検出電極は、機能層、ハンドルウエハおよびキャップのいずれかの中に配置されてもよい。基板（３１０）または機能層（３００）に固定されたカバーまたはキャップ（３５０）は、デバイスの可動部分をキャビティ内に封じ込めるために追加され、キャビティ内では環境から保護されるが、微小電気機械デバイスの構造部分は、キャビティによって形成された自由空間内を移動することができる。
ＣＳＯＩ工程を含む微小電気機械デバイスを製造する工程の簡単な説明は、キャビティ（１３５）をハンドルウエハ（３１０）にエッチングすることから始まり、当該キャビティはまたキャビティ（１３５）内にシリコンカラムとして形成されたキャビティ電極（１３０）を備える。これらのキャビティ電極（１３０）は、ハンドルウエハ（３１０）の一体部分を形成し、好ましくは、ハンドルウエハ（３１０）の実質的に均質な構造材料層の一部を形成する。続いて、ハンドルウエハ（３１０）は、機能層（３００）が形成される構造ウエハに取り付けられる。ハンドルウエハ（３１０）は、ハンドルウエハ（３１０）の少なくとも１つの層を絶縁材料で分割することにより、または、ハンドルウエハ（３１０）を構造ウエハに取り付ける前に、これらの部品を絶縁材料で互いに取り付けることによって、複数の電気的に絶縁された部分を形成することができる。いずれの場合も、キャビティ電極（１３０）は、ハンドルウエハ（３１０）の電気的に絶縁された部分の少なくとも１つの一体部分を形成する。ウエハのいずれか一方または両方は、シリコン酸化物層（３２０）のような絶縁材料層（３２０）で覆われ、絶縁材料層（３２０）が２つのウエハの間に残存するように融着によって取り付けられる。次いで、振動質量、ばねおよび検出構造などの機能要素が機能層にエッチングされ、機能層（３００）が形成された後、絶縁材料層（３２０）は当技術分野で知られている任意の適切な工程によって可動微小電気機械機能構造の真下で除去される。この工程では、キャビティ電極（１３０）も機能層（３００）から取り外され、検出要素はキャビティ（１３５）内で意図された動作のための空間を有する。ハンドルウエハ（３１０）および機能層（３００）を互いに電気的に接続する少なくとも１つの導電性プラグ（３３０）は、当業者に知られている任意の既知の方法によって作製されてもよい。例えば、導電性プラグ（３３０）は、エッチング工程で作製されてもよい。機能部品を環境から保護するために、キャップ（３５０）は機能層（３００）の上に配置される。簡略化された図３および図４に示されていないが、キャップ（３５０）は、機能層（３００）の可動部品が意図されたように移動することを可能にするのに十分なキャビティを有するキャビティを有してもよい。さらに、キャビティ電極（１３０）は、図８に関連して先に説明されたように、ハンドルウエハ（３１０）と同様の方法で、キャップウエハ（３５０）内のキャビティ（１３５）に配置されてもよい。キャビティ電極（１３０）を含むキャップウエハ（３５０）は、エッチングによって製造されてもよい。さらに、少なくとも２つの電気的に絶縁された部分を含むキャップウエハ（３５０）が製造されてもよい。この製造工程は、上述のようにハンドルウエハ（３１０）を製造するために使用されるものと同様であってもよい。
微小電気機械デバイスを製造する工程に対する他の例のアプローチは、デバイスを形成するためにポリシリコンのエピタキシャル成長を使用することである。ここで、この工程は、熱酸化された基板上の振動質量の平面に平行な相互接続の蒸着およびパターニングから始まる。エピタキシャルポリシリコンは、絶縁層によって囲まれた相互接続の上に成長され、外部信号用のエピタキシャルポリシリコンへの接続が開放されている。次いで、検出要素は、エピタキシャルポリシリコン機能層にパターニングされ、過剰な絶縁層から解放される。最後に、コンタクト金属化が堆積され、キャビティ電極を備えるキャビティを含むキャップウエハがウェハボンディングによって構造ウエハに取り付けられる。
当業者には、技術が進歩するにつれて、本発明の基本的な思想を様々な方法で実施できることが明らかである。したがって、本発明およびその実施形態は上記の例に限定されず、特許請求の範囲内で変更することができる。

Claims (17)

  1. 第１の材料を含む少なくとも１つの支持構造ウエハと、機能層と、を備える微小電気機械デバイス構造であって、
    前記第１の材料に類似する第２の材料のキャビティ電極は、前記支持構造ウエハのキャビティ内に形成され、
    前記支持構造ウエハの少なくとも一部と電気的に接続され、
    前記キャビティ電極および前記支持構造ウエハの前記少なくとも一部は、規定の電位に接続されるように構成されていることを特徴とする、
    微小電気機械デバイス構造。
  2. 前記キャビティ電極は、前記キャビティ電極が形成される前記支持構造ウエハの前記少なくとも一部の実質的に均質な構造材料層の一体の部分を形成する、
    請求項１に記載の微小電気機械デバイス構造。
  3. 前記キャビティ電極は、前記キャビティの基部から前記機能層に向かって突出した構造を備える、
    請求項１または２に記載の微小電気機械デバイス構造。
  4. 前記キャビティ電極は、前記支持構造ウエハの少なくとも一部に少なくとも部分的に含まれる前記キャビティ内のシリコンカラムを備える、
    請求項１〜３のいずれか一項に記載の微小電気機械デバイス構造。
  5. 前記キャビティ電極は、平行平板コンデンサの電極として使用されるように配置され、
    前記平行平板コンデンサの可動電極は、機能的には実質的に平坦な可動要素と結合される、
    請求項１〜４のいずれか一項に記載の微小電気機械デバイス構造。
  6. 前記平行平板コンデンサは、前記微小電気機械デバイスに発生する機械的振動の周波数を調整するために使用される、
    請求項５に記載の微小電気機械デバイス構造。
  7. 前記周波数の調整は、前記キャビティ電極の前記電位の調整と、前記機能層内に配置された前記可動電極の前記電位の調整との少なくとも１つにより達成され、
    前記周波数は、前記平行平板コンデンサの前記２つの電極間の前記相対ＤＣ電位を変化させることにより調整可能である、
    請求項５または６に記載の微小電気機械デバイス構造。
  8. 前記キャビティ電極は、前記支持構造ウエハの前記少なくとも一部と前記機能層との間に配置された少なくとも１つの導電性プラグに接続されるように構成され、
    前記少なくとも１つの導電性プラグは、前記支持構造ウエハの前記少なくとも一部と前記機能層との間の絶縁材料層と貫通して延在する、
    請求項１〜７のいずれか一項に記載の微小電気機械デバイス構造。
  9. 前記キャビティ電極は、前記支持構造ウエハのベース層と前記支持構造ウエハの最上層との間に配置された少なくとも１つの導電性プラグを介して設定電位に接続され、
    前記少なくとも１つの導電性プラグは、前記支持構造ウエハの前記ベース層と前記最上層との間の絶縁材料層を貫通して延在する、
    請求項１〜８のいずれか一項に記載の微小電気機械デバイス構造。
  10. 前記支持構造ウエハは、ハンドルウエハおよびキャップウエハの少なくとも１つを備える、
    請求項１〜９のいずれか一項に記載の微小電気機械デバイス構造。
  11. 前記デバイス構造は、同じ電位に接続された少なくとも２つのキャビティ電極を備える、
    請求項７〜１０のいずれか一項に記載の微小電気機械デバイス構造。
  12. 前記デバイス構造は、少なくとも２つの導電性プラグを介して少なくとも２つの異なる電位に電気的に接続可能な少なくとも２つのキャビティ電極を備え、かつ、前記支持構造ウエハのそれぞれは、絶縁構造材料層により少なくとも２つの部分に分割され、
    前記少なくとも２つの部分は、異なる電位に電気的に接続可能な各キャビティ電極のための少なくとも一部に含まれる、
    請求項７〜１０のいずれ一項に記載の微小電気機械デバイス構造。
  13. 前記機能層内に形成された少なくとも１つの検出電極は、前記キャビティ電極上に配置され、
    前記少なくとも１つの検出電極は、絶縁材料層により前記キャビティ電極から電気的に絶縁されている、
    請求項１〜１２のいずれか一項に記載の微小電気機械デバイス構造。
  14. 前記機能層内に形成された少なくとも１つの懸架構造は前記キャビティ電極上に配置され、
    前記少なくとも１つの懸架構造は、絶縁材料層によって前記キャビティ電極から電気的に絶縁されている、
    請求項１〜１３のいずれか一項に記載の微小電気機械デバイス構造。
  15. 前記デバイスは、センサを備える、
    請求項１〜１４のいずれか一項に記載の微小電気機械デバイス構造。
  16. 前記デバイスは、ジャイロスコープを備える、
    請求項１〜１５のいずれか一項に記載の微小電気機械デバイス構造。
  17. 微小電気機械デバイスにおいて発生する機械的振動の周波数を調整する方法であって、
    請求項５または６に記載の微小電気機械デバイス構造の提供と、
    前記機械的振動の周波数の調整と
    を含み、
    前記調整は、前記キャビティ電極の前記電位の調整と、前記機能層内の前記可動電極の前記電位の調整との少なくとも１つを含み、
    前記周波数は、前記平行平板コンデンサの前記２つの電極間の前記相対ＤＣ電位を変化させることにより調整可能である、
    機械的振動の周波数を調整する方法。
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