JP4800619B2 - マイクロ電気機械システムデバイス内の構造の電気機械的挙動の制御 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明はマイクロ電気機械システムデバイスに関する。特に、本発明はマイクロ電気機械システムデバイス内の薄膜構造に、およびそのような薄膜構造の電気機械的および光学的な応答に関する。

発明の背景
今日、マイクロ製造技術を使用して広く多様なマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスが製造され得る。これらＭＥＭＳデバイスの例はモーター、ポンプ、バルブ、スイッチ、センサー、ピクセルなどを含む。

これらＭＥＭＳデバイスは多くは、光学、電気および機械分野のような異なる分野からの原理および現象を動力に利用する。このような原理および現象は、動力に利用することが巨視的世界では表面上困難ではあるが、このような現象が強まるＭＥＭＳデバイスの微視的世界においては非常に有用になることがある。例えば、巨視的世界では動力に利用するには弱すぎると一般的に考えられている静電力は、ＭＥＭＳデバイスの微視的世界においてはこれらのデバイスを多くの場合高速および低電力消費で作動させるのに十分強いものである。

ＭＥＭＳデバイスで使用する材料は、光学、電気、および機械分野におけるそれらの固有の特性および例えば駆動電圧または作動電圧のような入力に対するそれらの特有の応答に基づいて一般的に選択される。

ＭＥＭＳデバイスの製造に影響を及ぼす１つの問題は、いくつかの場合、例えば入射光に対する光学的応答のような、入力に対し非常に望ましい応答を有する材料は、作動電圧または駆動電圧に対する電気機械的応答のような、入力に対し望ましくない応答をも有することがあるということである。望ましくない応答を克服する、または少なくとも減少させるために、新たな材料が多くの場合多大な費用をかけて発見または開発されなければならない。

ＭＥＭＳデバイスの製造についてのもう１つ他の問題は、時々、その特有の応答のために選択された材料が個々のマイクロ製造プロセス中に使用する化学薬品に曝されるために損傷することがあるということである。これによりこの材料は入力に対する特有の応答がより少なく現われるものとされる。

発明の概要
１つの実施形態において、本発明はマイクロ電気機械システムデバイスの製造方法を供する。この方法は、マイクロ電気機械システムデバイスを製造する方法であって、特有の電気機械的応答、および特有の光学的応答を有し、前記特有の光学的応答は望ましいものであり、かつ前記特有の電気機械的応答は望ましくないものであるところの少なくとも１つのフィルムを含む第１層を形成することと；前記第１層の前記特有の電気機械的応答を、前記マイクロ電気機械システムデバイスの作動中の電荷蓄積を制御することにより変更することとを含む
詳細な説明
マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス内の個々の構造または層は入射光の形での入力に対するその光学的応答のために望ましいものであり得るが、同時に作動電圧または駆動電圧の形の入力に対し望ましくない電気機械的応答も有し得る。本発明はこの構造または層の電気機械的応答を操作または制御し、それによりこの望ましくない電気機械的応答を少なくとも減少させる技術を開示する。

ＭＥＭＳデバイスの例示的であるが非制限的な例として、図面の図１に示す干渉変調器（ＩＭＯＤ］）デバイス１０を考えられたい。図１を参照すると、ＩＭＯＤデバイス１０は、本発明の観点を不明瞭にしないように、説明の目的のために非常に簡略化されていることがわかるであろう。

ＩＭＯＤデバイス１０は透明層１２、および透明層１２からエアギャップ１６によって離間されている反射層１４を含む。透明層１４は柱１８に支持され、かつ透明層１２に向かって静電的に変位可能であり、それによりエアギャップ１６を閉じる。駆動機構２２に接続している電極２０は反射層１４の静電変位をもたらすために使用される。図１は駆動されていない、または変位されていない状態にある反射層１４を示し、図２は駆動された、または変位された状態にある反射層１４を示す。反射層１４は透明層１２と接触するときに入射光に対する望ましい光学的応答を生じるように選択される。１つのＩＭＯＤ設計において、透明層１２はＳｉＯ_２を含むことができる。電極２０および透明層１２は基板２４上に形成される。基板２４、電極２０、およびその上にある透明層１２を以後「薄膜スタック」と呼ぶこととする。

典型的に、複数のＩＭＯＤデバイス１０が大きなアレイとして形成され、反射ディスプレイ内のピクセルを形成する。このような反射ディスプレイ内では、各々のＩＭＯＤデバイス１０はピクセルを実質的に規定し、ピクセルは駆動されていない状態にあるときに特有の光学的応答を有し、駆動された状態にあるときに特有の光学的応答を有する。この反射ディスプレイ内のＩＭＯＤが、駆動されていない状態にあるときには赤、青または緑の光を反射し得、駆動された状態にあるときには光を吸収し得るように、透明層１２、およびエアギャップ１６のサイズを選択することができる。

反射ディスプレイの動作中、情報を伝送するためにＩＭＯＤデバイス１０は、迅速に付勢され、消勢されることが理解されるであろう。付勢されたとき、ＩＭＯＤ１０デバイスの反射層１４は透明層１２に向けて静電的に変位し、ＩＭＯＤ１０が消勢されたとき、反射層１４は駆動されていない状態に戻される。反射層１４を駆動された状態に維持するために、バイアス電圧を各々のＩＭＯＤデバイス１０にかける。

ＩＭＯＤデバイスの反射層１４を図面の図２に示すような駆動された状態に静電的に駆動するために要する電圧として定義される作動電圧Ｖ_actuationが、反射層１４が図面の図１に示すような変位されていない状態に戻る電圧として定義される解放電圧Ｖ_releaseと等しいなら、そのとき、反射ディスプレイ内の各々それぞれのＩＭＯＤデバイス１０の反射層１４を駆動された状態に維持するために反射ディスプレイ内の全てのＩＭＯＤ１０に印加することができ適切なバイアス電流Ｖ_biasを選択することは非常に困難となる。反射ディスプレイ内の各々のＩＭＯＤ１０は、例えば層１２、１４等の厚さの差異など、わずかな差異を有することがあり、それが各々のＩＭＯＤ１０に対して異なる解放電圧Ｖ_releaseを実際にもたらすことが、この理由である。さらに、ライン抵抗のため、ディスプレイ内部の位置に基づく、各々のＩＭＯＤ１０に印加される実際の電圧の差異があるであろう。これは、反射ディスプレイ内部の各々それぞれのＩＭＯＤ１０の反射層１４をその駆動された状態に維持するであろうＶ_biasの値を選択することを、不可能でないにしろ、非常に困難にさせる。これは、その透明層１２がＳｉＯ_２を含む、ＩＭＯＤ１０の反射層１４の観測されたヒステリシス挙動を示す図面の図３を参照して説明される。

図３を参照すると、ＳｉＯ_２の透明層を含むＩＭＯＤ１０について、印加電圧（ボルト）をＸ軸にプロットし、それに対してボルトで測定された光学的応答をＹ軸にプロットする曲線３０が示されている。分かり得るように、反射層１４の作動は約１２．５ボルト、すなわちＶ_actuationが１２．５ボルトと等しいときに起き、その後、印加電圧が１２．５ボルト以下に落ちたとき、すなわちＶ_releaseが１２．５Ｖに等しいときに反射層はその駆動されていない状態に戻る。従って、透明層１２がＳｉＯ_２のみで形成されているＩＭＯＤデバイス１０の反射層１４はヒステリシスを示さない。それゆえに、ＳｉＯ_２しか持たない透明層１２を各々含むＩＭＯＤデバイスを使用して反射ディスプレイを製造するならば、Ｖ_biasの値を選択することは不可能であろう。例えば、Ｖ_biasを１２．５ボルトと選択するならば、反射ディスプレイのＩＭＯＤデバイス１０内の差異のために、少なくともいくつかのＩＭＯＤデバイス１０に対し、１２．５ボルトのＶ_biasはこれらのＩＭＯＤデバイス１０の反射層１４を駆動された状態に維持することはできない。

反射ディスプレイ内部の各々それぞれのＩＭＯＤ１０の反射層１４をその駆動された状態に十分維持するに十分なＶ_biasを選択するために、反射ディスプレイ内のそれぞれのＩＭＯＤデバイス１０の各々の反射層１４はＶ_actuationとＶ_releaseとの間のゼロでない差異として定義されるある程度のヒステリシスを示すことが必要である。

各々のＩＭＯＤデバイス１０の反射層１４の電気機械的応答は、反射層１４の電気機械的特性および透明層１２の電気的特性に決定されることが明らかであろう。１つの具体的なＩＭＯＤデバイスの設計において、透明層１２は反射層１４がそれに接触するときに望ましい光学的応答を与えるＳｉＯ_２を含む。しかし、ＳｉＯ_２を含む透明層１２はある電気的特徴または特性を有し（ＳｉＯ_２は負電荷をトラップする）、反射層１４のヒステリシス挙動に影響を与える。従って、透明層１２は望ましい光学的応答を有するが、駆動電圧または作動電圧に対する望ましくない電気機械的応答を有し、それは反射層１４のヒステリシス挙動に影響を与える。

本発明の実施形態によると、透明層１２の電気機械的挙動は、追加の層を薄膜スタックに追加することにより変化させる。この追加の層は、反射層１４のヒステリシス挙動への透明層１２の影響を、少なくとも最小化、または補償する。

本発明の１つの実施形態において、この追加の層は、既知の蒸着技術に従って透明層１２の上に堆積されるＡｌ_２Ｏ_２を含む。これは図面の図４に示すように、基板４２、電極４４、ＳｉＯ_２反射層４６および電荷トラップ層として機能するＡｌ_２Ｏ_３層４８を有する薄膜スタック４０を作り出す。

図面の図５は薄膜スタック４０を含むＩＭＯＤデバイス１０についてのヒステリシス曲線５０を示す。ヒステリシス曲線３０と同様に、印加電圧をボルトでＸ軸にプロットし、光学的応答をボルトでＹ軸にプロットしている。ヒステリシス曲線５０はＶ_actuation（７．８ボルト）とＶ_release（５．０ボルト）との間の差異として定義される２．８ボルトのヒステリシスウィンドーを示す。反射ディスプレイ内の個々のＩＭＯＤ１０が各々、ヒステリシスをヒステリシス曲線５０に従って示すそれぞれの反射層１４を有する場合、Ｖ_biasの値を５ボルトから７．８ボルトの間で選択することができ、反射ディスプレイ内の各々それぞれのＩＭＯＤ１０の反射層１４をその駆動された状態に維持する機能を効果的になし得ることがわかるであろう。本発明の他の実施形態においては、薄膜スタックは、反射層の下だけでなく上にもＡｌ_２Ｏ_３層を含むようにさらに修飾することができる。この実施形態は図面の図６に示しており、薄膜スタック６０は、基板６２、電極６４、第１Ａｌ_２Ｏ_３層６６、ＳｉＯ_２透明層６８および第２Ａｌ_２Ｏ_３層７０を含むことが理解されるであろう。

図面の図７は、図面の図６に示した薄膜スタック６０を有するＩＭＯＤデバイス１０の透明層１４についてのヒステリシス曲線８０を示す。分かり得るように、ヒステリシスウィンドーは今度はより広く、すなわちＶ_actuation（９ボルト）とＶ_release（４．５ボルト）との間の差異である４．５ボルトである。

しかし、高い電荷トラップ密度を有する他の材料を使用してもよい。これらの材料は、Ａｌ_２Ｏ_３の化学量論から外れた変形のＡｌＯ_ｘ、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、その化学量論から外れた変形（ＳｉＮ_ｘ）、および五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）およびその化学量論から外れた変形（ＴａＯ_ｘ）を含む。これらの材料の全てはＳｉＯ_２よりも大きさが数桁高い電荷トラップ密度を有し、どちらの極性の電荷もトラップする傾向がある。これらの材料は高い電荷トラップ密度を有するので、低い電荷トラップ密度を有し、かつ負電荷のみをトラップする親和性を有するＳｉＯ_２と比べると、これらの材料に電荷を出入りさせることは比較的容易である。

高い電荷トラップ密度を有する材料の他の例は、希土類金属酸化物（例えば酸化ハフニウム）、およびポリマー材料を含む。さらに、負または正のいずれかの電荷をトラップするようにドープされた半導体材料を使用して追加の層をＳｉＯ_２透明層１２の上、および任意に下に形成してよい。

今までは、高い電荷トラップ密度を有する電荷トラップ層を使用してＭＥＭＳデバイス内の電荷蓄積を制御する、ＭＥＭＳデバイスの電気機械的挙動を操作する技術を説明してきた。しかし、本発明は、その電荷トラップ密度に係らず、ＭＥＭＳデバイスの電気機械的挙動を変化、または制御するためにいずれもの電荷トラップ層を使用することを包含することを理解すべきである。当然、高い、低い、または中程度の電荷トラップ密度のどの電荷トラップ層を選択するかは、ＭＥＭＳデバイスのどのような電気機械的挙動が求められるかによって決定されるであろう。

いくつかの態様において、薄層または凝集体の形での金属の組み込みがＭＥＭＳデバイスでホストフィルムの電荷トラップ密度を操作するさらにもう一つの機構を提供する。ボイドを作ること、またはその材料特性に変形または周期性を作り出すことによるホストフィルムの構造化を使用して電荷トラップ特性を変化させることもできる。

本発明の他の実施形態によると、ＩＭＯＤデバイス１０は、マイクロ製造プロセスにおいて化学エッチング剤に晒されることによるダメージまたは劣化から反射層１２を保護するために、反射層１２の上に堆積された薬品バリアー層を含む。例えば、１つの実施形態において、ＳｉＯ_２を含む透明層１２を、例えばＸｅＦ_２のような化学エッチング剤に対する薬品バリアーとして働く、Ａｌ_２Ｏ_３を含むその上層で保護する。このような実施形態において、透明ＳｉＯ_２層１２をエッチング剤から保護する場合、ＳｉＯ_２の不均一性を電気機械的挙動の付随する不均一性と共に消去し、それにより各々のＩＭＯＤデバイス１０内の透明層１４にヒステリシスを示させる。

図８ａおよび図８ｂはＭＥＭＳデバイス内での他の応用を示し、電荷トラップ層を使用してＭＥＭＳデバイス内の構造の電磁気挙動を制御するものである。

図８ａを参照すると、参照番号９０は静電的流体フローシステムの一部を一般的に示す。この静電的流体フローシステムは、その内部にＵ字型の流路９４が形成されている基板９２を含む。流路９４は、例えばその化学的および機械的特性のために選ばれる第１材料の内側層９６を含み、例えばその材料は特に耐磨耗性であり得、この流路内部の流体の流れによる劣化をほとんど示さないものであり得る。流路９４は電荷トラップ特性のために選択される外側層９８もまた含み、これについては以下でより詳細に説明する。

静電的流体フローシステム９０は対の電極１００および１０２をまた含み、それらを選択的に付勢して、流路９４内流体中の電荷粒子を図面の図８ｂの矢印１０４で示す方向に変位させる。１つの実施形態において、外側層９８は流体中の電荷をトラップし、それによりシステム１０１内の流体の流れのより強い制御を提供する。他の実施形態においては、層９８はヒステリシス効果を消去または減少させるために電荷をトラップすることができる。

さて図面の図９を参照すると、電荷トラップ層を使用してＭＥＭＳデバイス内の構造の電気機械的挙動を変化させる別の応用が示されている。図９において、参照番号１２０は、軸方向に配列され、かつ１２４のステ−ターから離間したローター１２２を含むモーターを一般的に示す。分かり得るように、ステ−ター１２４は基板１２６上に形成され、かつ使用に際し駆動機構（図示せず）によって付勢される電極１２８を含む。ローター１２２はスピンドル１３２が固定されている円筒部１３０を含む。ローター１２２は、耐磨耗性を含む機械的特性のために選択することができる材料からできていてよいが、ローター１２２を回転させるために電極１２８を付勢する場合のような入力に応答して望ましくない電気的特性を有し得る。これらの望ましくない電気特性を補償すべく、ローター１２２の電気機械的挙動を変化させるための電荷トラップ層として効果的に作用させるために、層１３４および層１３６をローター１２２上に堆積させる
本発明を特定の例示的実施形態を参照して説明してきたが、特許請求の範囲において明らかにされる通りの本発明のより広い真意から逸れることなく、様々な改良および変形をこれら実施形態から作ることが可能であることは明白であるであろう。従って、明細書および図面は制限的な意味よりはむしろ例示的な意味であるとみなされるべきである。

駆動されていない状態にあるＭＥＭＳデバイスのブロック線図。 駆動された状態にあるＭＥＭＳデバイスのブロック線図。 図１および図２のＭＥＭＳデバイスの作動電圧および解放電圧のチャート図。 本発明の１つの実施形態による、ＭＥＭＳデバイス用の薄膜スタックの１つの態様を示す図。 図面の図４に示す薄膜スタックを含むＭＥＭＳデバイスに対するヒステリシス曲線を示す図。 ＭＥＭＳデバイス用の薄膜スタックのその他の態様を示す図。 図面の図６の薄膜スタックを含むＭＥＭＳデバイスに対するヒステリシス曲線を示す図。 本発明の１つの実施形態による、ＭＥＭＳデバイス内部の静電的流体フローシステムのブロック線図。 図８ａの流体フローシステムの、主な作動を説明する概略図。 本発明によるＭＥＭＳデバイスのその他の実施形態を示す図。

Claims (23)

1. 基板と、
   前記基板の上に設けられた電極と、
   前記電極の上に設けられたＳｉＯ _２ を含む透明層と、
   前記透明層の上に設けられたエッチングバリアー層と、
   前記エッチングバリアー層に隣接して設けられたエアギャップと、
   入射光を反射する変位可能な層と
   を具備する装置。
2. 前記エッチングバリアー層はＸｅＦ_２に対して耐性がある請求項１記載の装置。
3. 前記エッチングバリアー層はＡｌ_２Ｏ_３を含む請求項１記載の装置。
4. 干渉変調器である請求項１記載の装置。
5. 電極層を基板の上に形成することと、
   ＳｉＯ _２ を含む透明層を前記電極層の上に形成することと、
   エッチングバリアー層を前記透明層の上に形成することと、
   前記エッチングバリアー層を化学エッチング剤に曝すこととを含み、なお、前記エッチングバリアー層は前記化学エッチング剤に対して耐性がある、
   ＭＥＭＳデバイスの製造方法。
6. 前記エッチングバリアー層はＡｌ_２Ｏ_３を含む請求項５記載の方法。
7. 前記化学エッチング剤はＸｅＦ_２を含む請求項５記載の方法。
8. 前記エッチングバリアー層からエアギャップにより離間された変位可能な層を形成することをさらに含む請求項５記載の方法。
9. 前記ＭＥＭＳデバイスは干渉変調器である請求項５記載の方法。
10. 基板と、
    変位可能な層と、
    前記基板の上に設けられた電極と、
    前記電極と前記変位可能な層との間に設けられたエアギャップと、
    前記電極の上に形成され、正および負の両方の電荷をトラップすることができる材料を含んだ電荷トラップ層と、
    前記電荷トラップ層と前記電極との間に形成されたＳｉＯ _２ を含む透明層と
    を含み、そして前記電荷トラップ層は、前記変位可能な層の電気機械的挙動を変化させるように構成される、
    マイクロ電気機械システムデバイス。
11. 前記電荷トラップ層は、ＡｌＯ_ｘ（非化学量論）、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＮ_ｘ（非化学量論）、Ｔａ_２Ｏ_５、およびＴａＯ_ｘ（非化学量論）からなる群より選ばれる材料を含む請求項１０のデバイス。
12. 前記透明層と前記電極との間に形成された第２電荷トラップ層をさらに具備する請求項１０記載のデバイス。
13. 前記透明層と前記電極との間に設けられたＡｌ_２Ｏ_３を含む層をさらに具備する請求項１０記載のデバイス。
14. 干渉変調器である請求項１０記載のデバイス。
15. 電極層を基板の上に形成することと、
    ＳｉＯ _２ を含む透明層を前記電極層の上に形成することと、
    正および負の両方の電荷をトラップすることができる材料を含んだ電荷トラップ層を前記透明層の上に形成することと、
    前記電荷トラップ層からエアギャップにより離間された変位可能な層を形成することとを含み、前記電荷トラップ層は前記変位可能な層の電気機械的挙動を変化させるように構成される、
    ＭＥＭＳデバイスの製造方法。
16. 前記電荷トラップ層は、ＡｌＯ_ｘ（非化学量論）、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＮ_ｘ（非化学量論）、Ｔａ_２Ｏ_５、およびＴａＯ_ｘ（非化学量論）からなる群より選ばれる材料を含む請求項１５記載の方法。
17. 第２電荷トラップ層を前記透明層と前記電極との間に形成することをさらに含む請求項１５記載の方法。
18. Ａｌ_２Ｏ_３を含む層を前記透明層と前記電極との間に形成することをさらに含む請求項１５記載の方法。
19. 前記変位可能な層は反射性である請求項１５記載の方法。
20. 基板と、
    基板上に設けられた電極と、
    エアギャップと、
    前記電極と前記エアギャップとの間に設けられた、ＳｉＯ_２を含む層と、
    前記エアギャップと前記ＳｉＯ_２を含む層との間に設けられ、前記ＳｉＯ_２を含む層の上のまたはそれに隣接する、Ａｌ_２Ｏ_３を含む少なくとも１つの層と
    を具備するマイクロ電気機械システムデバイス。
21. 前記電極から前記エアギャップの向かい側に設けられた、静電的に変位可能な層をさらに具備する請求項２０記載のデバイス。
22. 前記ＳｉＯ_２を含む層と前記電極との間に設けられたＡｌ_２Ｏ_３を含む層をさらに具備する請求項２０記載の装置。
23. 干渉変調器である請求項２０記載のデバイス。

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