JP4707667B2 - バイモルフ素子、バイモルフスイッチ、ミラー素子及びこれらの製造方法 - Google Patents

バイモルフ素子、バイモルフスイッチ、ミラー素子及びこれらの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、バイモルフ素子、バイモルフスイッチ、及びバイモルフ素子を備えるミラー素子、並びにこれらの製造方法に関する。本出願は、下記の日本出願に関連する。文献の参照による組み込みが認められる指定国については、下記の出願に記載された内容を参照により本出願に組み込み、本出願の一部とする。
1.特願2004−254810 出願日 2004年09月01日
近年、半導体プロセスで製造するマイクロデバイスの一例としてバイモルフスイッチが知られている。バイモルフスイッチは、熱膨張率の異なる2つの層を有し、これらの層をヒータで加熱することによりたわみを生じる。たわみが発生する部分に可動接点を設け、この可動接点に対向する位置に固定接点を設けることにより、電気的な接続のON/OFFを切り替えるスイッチを構成することができる(例えば、特許文献1、及び特許文献2参照)。
特開2004−55410号公報 WO2004/024618号公報
しかしながら、バイモルフスイッチなどのバイモルフ素子は、二つの層の一方を構成する酸化シリコン層の内部応力が経時変化することにより、素子の形状が経時変化するという課題がある。このため、バイモルフ素子に所望の変位を与えるための入力電力がデバイス毎にばらつくという課題があった。
そこで本発明は、上記の課題を解決することのできるバイモルフ素子、バイモルフスイッチ、ミラー素子及びこれらの製造方法を提供することを目的とする。この目的は請求の範囲における独立項に記載の特徴の組み合わせにより達成される。また従属項は本発明の更なる有利な具体例を規定する。
上記課題を解決するために、本発明の第1の形態によれば、酸化シリコン層と、前記酸化シリコン層上に形成され、前記酸化シリコン層の熱膨張率よりも高い熱膨張率を有する高膨張率層と、前記酸化シリコン層の表面を覆い、経時変化による前記酸化シリコン層の変形を防止する変形防止膜とを備えるバイモルフ素子を提供する。
前記変形防止膜は、水分及び酸素の透過率が前記酸化シリコン層よりも低くてもよい。前記変形防止膜は、前記酸化シリコン層を形成する場合よりも高いエネルギーで成膜される酸化シリコンであってもよい。前記変形防止膜は、窒化シリコンの膜であってもよい。前記変形防止膜は、金属の膜であってもよい。前記高膨張率層は、銅からなってもよい。
本発明の第2の形態によれば、回路基板とバイモルフ素子とを備えるバイモルフスイッチであって、前記回路基板は、上面に固定接点を有し、前記バイモルフ素子は、酸化シリコン層と、前記酸化シリコン層上に形成され、前記酸化シリコン層の熱膨張率よりも高い熱膨張率を有する高膨張率層と、前記酸化シリコン層の表面を覆い、経時変化による前記酸化シリコン層の変形を防止する変形防止膜と、前記高膨張率層及び前記酸化シリコン層を加熱するヒータと、前記固定接点に対向して設けられた可動接点とを有し、前記可動接点は、前記ヒータが高膨張率層及び前記酸化シリコン層を加熱した場合に、前記固定接点と電気的に接続するバイモルフスイッチを提供する。
本発明の第3の形態によれば、バイモルフ素子を備えるミラー素子であって、前記バイモルフ素子は、酸化シリコン層と、前記酸化シリコン層上に形成され、前記酸化シリコン層の熱膨張率よりも高い熱膨張率を有する高膨張率層と、前記酸化シリコン層の表面を覆い、経時変化による前記酸化シリコン層の変形を防止する変形防止膜と、前記高膨張率層及び前記酸化シリコン層を加熱するヒータと、当該バイモルフ素子の表面のうちで、前記ヒータが高膨張率層及び前記酸化シリコン層を加熱した場合に向きが変わる位置に設けられ、光を反射するミラーとを有するミラー素子を提供する。
本発明の第4の形態によれば、酸化シリコン層と、前記酸化シリコン層上に形成された高膨張率層とを備えるバイモルフ素子の製造方法であって、前記酸化シリコン層の熱膨張率よりも高い熱膨張率を有する前記高膨張率層を形成する高膨張率層形成段階と、前記高膨張率層の上に前記酸化シリコン層を形成する酸化シリコン層形成段階と、前記酸化シリコン層の表面を覆い、経時変化による前記酸化シリコン層の変形を防止する変形防止層を形成する変形防止層形成段階とを備える製造方法を提供する。
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
本実施形態の第1実施例に係るバイモルフスイッチ100の断面図である。 図1のバイモルフスイッチ100を上面から見た図である。 本実施形態の第2実施例に係るマイクロスイッチ200の断面図である。 本実施形態の第3実施例に係るミラー素子200の断面図である。
符号の説明
100 バイモルフスイッチ
102 可動接点
104 固定接点
106 酸化シリコン層
108 バイモルフ部
110 支持部
112 ヒータ電極
126 基板
128 ヒータ
130 高膨張率層
132 固定接点電極
150 変形防止層
200 マイクロスイッチ
300 ミラー素子
302 ミラー
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図1は、本実施形態の第1実施例に係るバイモルフスイッチ100の断面図である。また、図2は、図1のバイモルフスイッチ100を上面から見た図である。図1の断面図は、図2のA−A断面に相当する。バイモルフスイッチ100は、例えばカンチレバー状、すなわち片持ち梁状のスイッチである。バイモルフスイッチ100は、基板126、バイモルフ部108、及び支持部110を備える。バイモルフ部108は、本発明のバイモルフ素子の一例である。支持部110は、基板126に固定され、バイモルフ部108の一端を支持する。基板126は、例えばガラス基板である。基板126は、シリコン基板であってもよい。本実施形態のバイモルフスイッチ100は、バイモルフ部108の形状が室温で経時変化しないという特長を有する。
バイモルフ部108は、支持部110に支持された固定端と、固定端から延伸した自由端とを有する。バイモルフ部108は、固定端から自由端に向かうにつれて上方に反っている。バイモルフ部108は、酸化シリコン層106と、酸化シリコン層106上に形成され、酸化シリコン層106の熱膨張率よりも高い熱膨張率を有する高膨張率層130と、酸化シリコン層106の表面を覆い、水分及び酸素の透過率が酸化シリコン層106よりも小さい変形防止層150とを備える。高膨張率層130は、例えば銅又はアルミニウム等の金属からなる。
バイモルフ部が経時変化する要因は大きく分けて二つ考えられる。一つ目の要因は、酸化シリコン層の未反応部分が酸化して膨脹することによる酸化シリコン層の変形である。そして二つ目の要因は、高膨張率層が金属である場合に内部応力が経時緩和することで生じるバイモルフ部の変形である。本実施形態においては上記2つの要因からなるバイモルフ形状の経時変化を防止することを目的とする。
変形防止層150は、窒化シリコンの膜である。窒化シリコンは、酸化シリコンよりも緻密な膜を形成し、水分及び酸素をより確実に遮断することができる。あるいは、変形防止層150は、酸化シリコン層106を形成する場合よりも高いエネルギーで成膜される酸化シリコンであってもよい。酸化シリコンを成膜する場合のエネルギーを高めることにより、成膜される酸化シリコンの緻密さが高まり、水分及び酸素をより確実に遮断することができる。この場合には、酸化シリコン層106と同一の材料で変形防止層150を成膜することができるのでバイモルフ部108の製造が容易である。このように、バイモルフ部108は変形防止層150を有することにより、酸化シリコン層106が経時変化により膨張することを防止することができる。従って、バイモルフ部108の形状をより精度よく維持できる。
バイモルフ部108はさらに、可動接点102及びヒータ128を有する。可動接点102は、バイモルフ部108の先端における下面、すなわち基板126に対向する面に設けられている。ヒータ128は、高膨張率層130及び酸化シリコン層106を効率よく加熱するパターンで形成されている導電体である。例えば、ヒータ128は、高膨張率層130と酸化シリコン層106の間に略平行に設けられる。高膨張率層130が金属などの導電体である場合、ヒータ128の周囲を酸化シリコンなどの絶縁体で覆うことによりヒータ128と高膨張率層130とを絶縁する。一方、基板126は、可動接点102と対向する位置に固定接点104を有する。常温において、バイモルフ部108は、可動接点102を固定接点104から一定の距離で離間させて保持する。本実施例のバイモルフ部108の長さは約600μm、可動接点102の中央部分の固定接点104からの高さは約50μmである。
ヒ−タ電極112は、ヒ−タ128と電気的に接続された金属電極である。ヒータ電極112を介してヒータ128に電力を供給すると、高膨張率層130及び酸化シリコン層106がほぼ同時に加熱される。これにより、高膨張率層130は酸化シリコン層106よりも大きく伸び、バイモルフ部108の反り量を減らす方向に変形させる。この結果、バイモルフ部108は、可動接点102を固定接点104に接触させる。これにより、可動接点102と固定接点104とは電気的に接続される。可動接点102及び固定接点104は、バイモルフスイッチ100におけるスイッチの接点である。可動接点102及び固定接点104は、例えば白金又は金などの金属で形成される。
本実施例において、支持部110は、基板126の表面に形成された酸化シリコン層である。本実施例において、支持部110は、バイモルフ部108の一端のみを支持する。別の実施例において、支持部110は、バイモルフ部108の両端を支持してもよい。
なお、高膨張率層130はチタン銅及びベリリウム銅等の析出硬化型の合金であってもよい。チタン銅及びベリリウム銅等の析出硬化型の銅合金は、応力緩和特性に優れているので、バイモルフ部108を変形させた場合に生じる歪みが小さい。従ってバイモルフ部108の形状が経時変化しにくいという効果を有する。
図2は、バイモルフスイッチ100の上面図を示す。本実施例において、バイモルフスイッチ100は、複数の固定接点104を備える。バイモルフスイッチ100は、複数の固定接点104のそれぞれと、図1に関連して説明した可動接点102とを電気的に接続させることにより、複数の固定接点104を電気的に接続する。バイモルフスイッチ100は、複数の固定接点104の間で信号を接続及び遮断する2接点型バイモルフスイッチである。バイモルフスイッチ100は、複数の固定接点104の間で信号を接続及び遮断する。また、バイモルフスイッチ100は、複数の固定接点104に対応する複数の固定接点電極132を更に備える。複数の固定接点電極132のそれぞれは、複数の固定接点104のそれぞれに対応する電極である。固定接点電極132は、対応する固定接点104と電気的に接続される。固定接点電極132は、対応する固定接点104と一体に形成される。
バイモルフ部108の製造方法の一例を以下に説明する。バイモルフ部108の製造方法は、高膨張率層形成段階、焼き鈍し段階、ヒータ形成段階、酸化シリコン層形成段階、変形防止層形成段階、可動接点形成段階、及び犠牲層除去段階を含む。まず、高膨張率層形成段階において、例えば酸化シリコンからなる犠牲層の上に、銅やアルミニウムなどの金属を常温でスパッタリングして堆積させることにより高膨張率層130を形成する。
次に、焼き鈍し段階において、犠牲層の上に形成された高膨張率層130を焼き鈍し(アニール)する。犠牲層の上に形成された高膨張率層130には、スパッタリングによる堆積時に生じた内部応力が残留している。そこで、この内部応力を焼き鈍しにより緩和させる。焼き鈍しの温度は、高膨張率層130を形成する金属の再結晶温度及び後述するプラズマCVDの温度よりも高い温度とする。例えば、高膨張率層130の材料に銅を用いる場合、焼き鈍し温度は400℃程度とする。また、高膨張率層130の材料にアルミニウムを用いる場合、焼き鈍し温度は350℃程度とする。焼き鈍しの時間は、15分程度が適当である。
この焼き鈍しによって、高膨張率層130の原子の再結晶が起き、格子間の欠陥が減少する。これにより、高膨張率層130の内部応力が緩和され、バイモルフ部108の形状が経時変化する要因を一つ取り除くことができる。また、当該焼き鈍し段階で高膨張率層130の内部応力が緩和されることにより、後の酸化シリコン層形成段階におけるプラズマCVDで300℃程度の温度にさらされる場合に、高膨張率層130の変形を防止することができる。従ってバイモルフ部108を製造する場合の初期の反り量を、酸化シリコン層106をCVDで積層するときのワット数で精度よく管理することができる。
次に、ヒータ形成段階において、高膨張率層130の表面にまず絶縁層を形成する。絶縁層は、例えばCVDで酸化シリコンを堆積させることにより形成する。そして、白金などの金属を常温でスパッタリングして堆積させることによりヒータ128を形成する。次に、酸化シリコン層形成段階において、TEOS(テトラエトキシシラン)を用いたプラズマCVDにより、ヒータ形成段階で形成した絶縁層及びヒータ128の上面に酸化シリコンを堆積させる。本実施形態の酸化シリコン層形成段階は、プラズマCVDの出力を例えば130ワット、300℃に調節した状態で酸化シリコンを堆積させて酸化シリコン層106を形成する。なお、高膨張率層130が金属である場合、高膨張率層130の上にクロム層及びチタン層をこの順序で形成し、その上に酸化シリコン層106を形成することが望ましい。これにより、酸化シリコン層106と高膨張率層130の密着強度が向上する。
次に、変形防止層形成段階において、酸化シリコン層106の表面にプラズマCVDで窒化シリコンを堆積させることより変形防止層150を形成する。あるいは、酸化シリコン層形成段階よりも高いエネルギーのプラズマCVDで酸化シリコンを堆積させることによって変形防止層150を形成してもよい。酸化シリコンで変形防止層150を形成する場合、プラズマCVDの出力を例えば150ワットに調節した状態で酸化シリコンを堆積させて変形防止層150を形成する。酸化シリコン層形成段階よりも高いエネルギーのプラズマCVDで酸化シリコンを堆積させることにより、変形防止層150の酸化シリコンは、酸化シリコン層106の酸化シリコンよりも緻密な膜を形成する。
次に可動接点形成段階に於いて、金などの耐食性の高い金属を例えばスパッタリングで変形防止層150の表面に堆積させ、可動接点102以外の範囲の金属をエッチングで除去することにより可動接点102を形成する。最後に、犠牲層除去段階に於いて、高膨張率層130を支持する犠牲層をエッチングにより除去する。すると、酸化シリコン層106と高膨張率層130との内部応力の差に応じてバイモルフ部108に高膨張率層130側への反りが生じる。このとき生じる反りの大きさは、酸化シリコン層形成段階におけるプラズマCVDのエネルギーの大きさ、すなわちワット数の大きさによって決まる。プラズマCVDのワット数を高めるほど、バイモルフ部108の反り量は大きくなる。本実施形態のバイモルフ部108に適切な反り量は、前述の通り、酸化シリコン層形成段階におけるプラズマCVDの出力を130ワット程度に調節することによって得られる。こうして得られたバイモルフ部108を上下反転させることにより図1に示す姿勢のバイモルフ部108を得る。
窒化シリコンからなる変形防止層150は、酸化シリコンよりも緻密な膜を形成し、水分及び酸素をより確実に遮断することができる。また、酸化シリコン層形成段階よりも高いエネルギーのプラズマCVDで酸化シリコンを堆積させて形成した変形防止層150は、酸化シリコン層106の酸化シリコンよりも緻密な膜を有するので、水分及び酸素を酸化シリコン層106から遮断する。この場合、酸化シリコン層106と同一の材料で変形防止層150を成膜することができるので製造が容易である。
すなわち、バイモルフスイッチ100は、変形防止層150を有することにより、酸化シリコン層106が経時変化で膨張することを防止することができる。これにより、バイモルフ部108の形状が精度よく維持され、固定接点104と可動接点102の接点ギャップが安定する。従って、スイッチを切り替えるためにヒータ128に入力する電力と、スイッチングの応答速度がいずれも安定するという効果を奏する。なお、本発明のバイモルフ素子は、マイクロセンサ等のマイクロマシンであってもよい。
図3は、本実施形態の第2実施例に係るマイクロスイッチ200の構成を示す。図3(a)は、マイクロスイッチ200の断面図を示し、図3(b)は、マイクロスイッチ200から基板216を取り外した状態の基板140の斜視図を示す。マイクロスイッチ200は、本発明のバイモルフスイッチの一例である。本実施例において、第1実施例と同様の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
マイクロスイッチ200は、半導体プロセスにより製造され、電気的に外部と接続されて動作する。マイクロスイッチ200は、貫通孔208及び210が形成された基板140と、一端が支持部110に固着され、他端が貫通孔208内で自由に保持されるバイモルフ部108と、基板140と略平行に、バイモルフ部108に離間して設けられた配線基板212と、配線基板212に設けられた固定接点104及び電極パッド114と、一端が基板140に固着され、他端が貫通孔210の方向に延伸し基板140の面外方向に曲げられることにより電極パッド114に電気的に接続された導電性部材のヒータ電極112と、基板140の上面に設けられた基板216と、配線基板212に設けられた接地電極220とを備える。支持部110は、基板140の一部である。基板216は、貫通孔208及び210を配線基板212との間で密封するように設けられている。貫通孔208及び貫通孔210は、基板140の上面から、基板140の一部を除去することにより形成される。また、配線基板212は、基板140の下面に対向して設けられる。接地電極220は、固定接点104の直近に設けられる。
本実施例のバイモルフ部108は、例えば銅からなる高膨張率層130及びヒータ128の周囲をそれぞれ酸化シリコンで覆っている。従って、高膨張率層130及びヒータ128は、酸化シリコンで絶縁された状態で略平行に対向して設けられている。ヒータ128の下面には酸化シリコン層106が形成されている。酸化シリコン層106の表面には、窒化シリコンからなる変形防止層150が設けられている。あるいは、酸化シリコン層106よりも高いエネルギーのプラズマCVDで酸化シリコンを堆積させることによって変形防止層150を形成してもよい。また、変形防止層150を金属で形成してもよい。また、変形防止層150を、シリコンまたは炭化珪素等の半導体膜として形成してもよく、高分子膜として形成してもよい。
バイモルフ部108の先端の下面には固定接点104と対向して可動接点102が設けられている。ヒータ電極112と電極パッド114とは、貫通孔210の中央付近で電気的に接続される。ヒータ電極112はヒータ128に接続されており、ヒータ128を加熱する電力を供給する。本実施例に示すマイクロスイッチ200の製造は、例えばWO2004/024618に開示されている製造方法に図1で説明したバイモルフ部108の製造方法を組み合わせることにより可能である。本実施例のマイクロスイッチ200は、バイモルフ部108における酸化シリコン層106の表面に変形防止層150を有するので、経時変化により酸化シリコン層106が膨脹することが防止される。従って、バイモルフ部108の形状が室温で経時変化しにくい。これにより、バイモルフ部108に所望の変位を与えるために必要な入力電力の、デバイス毎のばらつきを低減することができる。
図4は、本実施形態の第3実施例に係るミラー素子300の断面図の一例である。以下、第1実施例と共通する構成には同一の符号を付して説明を省略する。本実施例のミラー素子300は、前述の可動接点102及び固定接点104に代えてミラー302を備える点で第1実施例と異なる。ミラー302は、バイモルフ部108の自由端側の先端近傍に形成される。例えば、図4のミラー素子300は、バイモルフ部108の自由端側の先端近傍における変形防止層150の表面にミラー302を有している。ミラー素子300は、バイモルフ部108の自由端側の先端近傍における高膨張率層130の表面にミラー302を有してもよい。ミラー302は、スパッタリング又は蒸着でクロムなどの反射率の高い金属を堆積させることにより形成する。ミラー素子300は、ミラー302に入射する信号光をミラー302の向きに応じた方向に反射する。ミラー素子300は、ヒータ電極112から入力する電力に応じてバイモルフ部108の反り量を変化させ、信号光の反射方向を変化させる。
本実施例のミラー素子300は、バイモルフ部108における酸化シリコン層106の表面に変形防止層150を有する。ミラー素子300において、変形防止層150は銅、金、及びアルミニウムなどの金属膜であってもよい。金属膜は、酸化シリコン層106よりも緻密であり、水分及び酸素を酸化シリコン層106から確実に遮断する。ミラー素子300は、上述のような変形防止層150を有することにより、バイモルフ部108が経時変化により変形することを防止できる。従って、ミラー302における信号光の反射方向の精度が向上すると共に、当該反射方向を所望の方向に変更するために必要な電力の、デバイス毎のばらつきを低減することができる。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。
本バイモルフ素子、バイモルフスイッチ、ミラー素子及びこれらの製造方法によれば、バイモルフ素子の形状の経時変化を防止することができる。

Claims (6)

  1. 酸化シリコン層と、
    前記酸化シリコン層上に形成され、前記酸化シリコン層の熱膨張率よりも高い熱膨張率を有する高膨張率層と、
    前記酸化シリコン層の表面を覆い、経時変化による前記酸化シリコン層の変形を防止する変形防止膜と
    を備え
    前記変形防止膜は、前記酸化シリコン層を形成する場合よりも高いエネルギーのプラズマCVDで酸化シリコンを堆積させることにより形成されるバイモルフ素子。
  2. 前記変形防止膜は、水分及び酸素の透過率が前記酸化シリコン層よりも低い請求項1に記載のバイモルフ素子。
  3. 前記高膨張率層は、銅からなる、請求項1または請求項2に記載のバイモルフ素子。
  4. 回路基板とバイモルフ素子とを備えるバイモルフスイッチであって、
    前記回路基板は、上面に固定接点を有し、
    前記バイモルフ素子は、
    酸化シリコン層と、
    前記酸化シリコン層上に形成され、前記酸化シリコン層の熱膨張率よりも高い熱膨張率を有する高膨張率層と、
    前記酸化シリコン層の表面を覆い、経時変化による前記酸化シリコン層の変形を防止する変形防止膜と、
    前記高膨張率層及び前記酸化シリコン層を加熱するヒータと、
    前記固定接点に対向して設けられた可動接点と、
    を有し、
    前記変形防止膜は、前記酸化シリコン層を形成する場合よりも高いエネルギーのプラズマCVDで酸化シリコンを堆積させることにより形成され、
    前記可動接点は、前記ヒータが高膨張率層及び前記酸化シリコン層を加熱した場合に、前記固定接点と電気的に接続するバイモルフスイッチ。
  5. バイモルフ素子を備えるミラー素子であって、
    前記バイモルフ素子は、
    酸化シリコン層と、
    前記酸化シリコン層上に形成され、前記酸化シリコン層の熱膨張率よりも高い熱膨張率を有する高膨張率層と、
    前記酸化シリコン層の表面を覆い、経時変化による前記酸化シリコン層の変形を防止する変形防止膜と、
    前記高膨張率層及び前記酸化シリコン層を加熱するヒータと、
    当該バイモルフ素子の表面のうちで、前記ヒータが高膨張率層及び前記酸化シリコン層を加熱した場合に向きが変わる位置に設けられ、光を反射するミラーと、
    を有し、
    前記変形防止膜は、前記酸化シリコン層を形成する場合よりも高いエネルギーのプラズマCVDで酸化シリコンを堆積させることにより形成されるミラー素子。
  6. 酸化シリコン層と、前記酸化シリコン層上に形成された高膨張率層とを備えるバイモルフ素子の製造方法であって、
    前記酸化シリコン層の熱膨張率よりも高い熱膨張率を有する前記高膨張率層を形成する高膨張率層形成段階と、
    前記高膨張率層の上に前記酸化シリコン層を形成する酸化シリコン層形成段階と、
    前記酸化シリコン層の表面を覆い、経時変化による前記酸化シリコン層の変形を防止する変形防止層を形成する変形防止層形成段階と
    を備え
    前記変形防止層形成段階は、前記酸化シリコン層を形成する場合よりも高いエネルギーのプラズマCVDで酸化シリコンを堆積させる製造方法。
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