JP4907544B2 - 電子デバイス - Google Patents

Description

開示の内容

本発明は、小電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子を有する電子デバイスであって、ＭＥＭＳ素子が、第１の電極と、可動素子の一部であり、第１の位置と第２の位置との間で第１の電極に近づいたりこれから遠ざかることができる第２の電極とを有し、第２の電極が、その第１の位置において、第１の電極から隙間を置いて離隔され、可動素子が、メカニカル層及び中間層を有し、第２の電極が中間層中に構成されている電子デバイスに関する。

微少電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、超小形回路（微小回路）による制御下で環境の変化に応動することができるマイクロセンサとアクチュエータの集成体を意味する。伝統的な高周波（ＲＦ）回路へのＭＥＭＳの組み込みの結果として、性能レベルが優れしかも製造コストの低いシステムが得られた。マイクロ波システム及びミリ波システムへのＭＥＭＳ利用製造技術の導入により、ＭＥＭＳアクチュエータ、アンテナ、スイッチ及びキャパシタを搭載したデバイスの実現に向けての採算の取れる道筋が得られている。その結果得られたシステムは、帯域幅が増大すると共に放射効率が増大し、しかも電力消費量が減少した状態で動作し、ワイヤレスパーソナル通信機器の発展しつつある領域への実現化の余地がかなり大きい。

ＭＥＭＳ素子は、第１の電極及び第２の電極を有し、第２の電極は、第１の位置と第２の位置との間で第１の電極に近づいたりこれから遠ざかることができる。第１の位置では、ＭＥＭＳ素子は、開かれ、第１の電極と第２の電極との間には隙間、通常は空隙が存在する。第２の位置では、ＭＥＭＳ素子を閉じることができ、従って、第１の電極と第２の電極との間には隙間がなく、或いは、空隙は、最小限の間隔を呈する。かかる最小限の間隔は、所望の厚さを備えたバンプを提供することにより達成できる。誘電体層を第１の電極の頂部上に設けるのがよく、この第１の電極は、一般に基板上に設けられる。これにより、第１の電極は、その閉鎖位置では、第２の電極には電気的に接触しないで第２の電極とキャパシタを形成する。他の１つ又は複数の電極も又、所望ならば誘電体層又は自然にできた酸化物を備えるのがよい。

第２の電極は可動でなければならないが、その上で、機械的に安定した構造中に組み込まれなければならないということの結果として、デバイスは、通常、十分な厚さ及び機械的安定性のメカニカル層を備えている。この層は、金属層であるのがよいが、代替物として、例えば、英国特許出願公開第２，３５３，４１０号明細書から知られている圧電層である。

本明細書の冒頭の段落に記載したようなデバイスは、国際公開第２００４／５４０８８号パンフレット、特にその図１１から知られている。中間層とメカニカル層の両方は、この場合、アルミニウムで作られている。これら層は、中間層中の第２の電極の直径よりも小さな直径を備えた垂直相互連結部によって相互に取り付けられている。
第２の位置におけるキャパシタンス密度が利用可能な表面積を基準にした場合見込まれるキャパシタンス密度よりも低いということが、この公知のデバイスの欠点である。それ故、有効同調レンジも減少し、結果として同調レンジの減少により、ＭＥＭＳ素子は、可同調キャパシタ及びスイッチに係る別の解決策にとても太刀打ちできない。かかる代替策は、特に、ピンダイオード及びｐＨＥＭＴトランジスタのようなディスクリートスイッチを必要ならばディスクリートキャパシタ又は薄膜キャパシタと組み合わせて用いることである。

従って、本発明の目的は、本明細書の冒頭に記載した種類のデバイスであって、同調レンジを向上させたデバイスを提供することにある。

この目的は、第２の電極が、中間層中の複数の部分によって構成され、これら部分が各々、別個の垂直相互連結部によってメカニカル層に機械的に連結されることによって達成される。換言すると、第２の電極は、セグメント状である。

本発明をもたらした実験において、メカニカル層及び中間層が同一の金属又は合金から成る場合であっても、メカニカル層と中間層との間に応力差が生じることが判明した。応力差は、層中の固有の応力に起因して生じると考えられる。この応力差の結果として、第２の電極を備えた可動素子が、第２の電極を第１の電極の方へ変位させたときに、変形が生じる。その結果、第２の電極は、もはや平板状ではなく、曲げられる。この結果、制限された又は狭い表面領域でしか第１の電極と第２の電極との間の最小距離に達せず、それ故、キャパシタンス密度が、実質上減少する。そこで、中間層中の第２の電極を多数の独立した部分に分割することにより、曲げによる効果がかなり減少し、しかも応力が減少する。その結果、第２の電極の表面積が減少した場合であってもキャパシタンス密度は増大する。

その結果、本発明のデバイスは良好な熱的安定性をも有する。このデバイスは、キャパシタンス密度が高く且つ接触領域のデフィニションが良好であるので、一層の小型化が可能である。

好ましい実施形態では、垂直相互連結部は、中間層中でこれに取り付けられた部分よりも直径が小さい。これにより、応力が効果的に更に一層減少する。特に、中間層とのインターフェイスの所での直径が小さい。

かかる垂直相互連結部を設けたことにより、設計上の自由度が大きくなるという利点が得られる。事実、電気的機能を定める第１及び第２の電極を備えたフロントエンドと支持体としての役目を果たす機械的構造及び第２の電極のアクチュエータを提供するバックエンドとの間を離隔させることができる。これにより、フロントエンドをバックエンドとはかなり独立して構成することが可能である。換言すると、バックエンド内において、金属層に代えてセラミック層を用いた場合、これにより、フロントエンドに大きな変化を生じさせる必要が無くなる。また、かくしてバックエンドを機械的支持体及びパッケージのパラメータ並びに工業規模での製造性について最適化できる。特に、圧電形ＭＥＭＳ素子の場合、バックエンドは、個々の層の被着によってではなく、組立てによって十分に提供できる。

好ましくは、相互連結部の直径は、対応の部分の直径の０．７５倍に過ぎない。あるいは、より好ましくは、相互連結部の直径は、対応の部分の直径の少なくとも０．２５倍である。相互連結部がリングの形をしている場合、その直径は、リングの直径として定められる。相互連結部の直径が上述の０．２５の比よりも小さい場合、実際に２つ以上の相互連結部を単一の部分について用いることが好ましい。

別の実施形態では、少なくとも１つの貫通穴が、可動素子に設けられており、貫通穴は、メカニカル層及び中間層中の１つの部分を貫通している。この貫通穴により、第１の電極と第２の電極との間の犠牲層を除去するために、エッチング剤が効果的に供給される。さらに、この領域に貫通穴が設けられていることにより、動かす必要のある領域の可動素子の必要が減少する。従って、このことは、作動電圧の減少に寄与する。

好適には、第２の電極は、直径が貫通穴よりも小さいエッチング穴を有する。エッチング穴のパターンが第２の電極に存在することは有利であると考えられる。中間層の存在により、エッチング穴のパターンをメカニカル層中のパターンとは独立して定めることができる。中間層は、メカニカル層よりも実質的に薄いので、パターンの解像度を高くすることができ、エッチング穴を小さくすることができる。中間層の厚さは好ましくは、メカニカル層の厚さの１／５に過ぎず、より好ましくは、１／１０に過ぎない。

別の実施形態では、可動素子は、通気チャネルを備え、通気チャネルの第２の閉鎖位置では、上記部分と相互連結部との間の空間は、互いに離れている。流体は、気体、例えば、空気又は窒素であるのがよい。通気チャネルは、主として、対向した表面と平行に延びる。チャネルは好ましくは、垂直通気穴又は、表面の側で終端する。通気チャネルは、例えば基板搬送技術による基板の部分的除去により基板中に且つこれに沿って延びるのがよい。それにより、チャネルは、流体を対向した表面相互間の領域に流入させることができ、可動素子の運動の減衰を制御することができる。通常、かかる減衰を減少させるためには対向した表面相互間の領域に流入し又はこれから出る流量を増大させ、それによりデバイスの開閉速度を増大させることが望ましい。開放遅延の大部分は、初期開放段階と関連している。というのは、電極が互いに最も近いときに静電引力が最も大きいからである。通常、開放中の静電力はほとんど０である。というのは、作動電圧がターンオフされるからである。これは、空気減衰が高い場合にもそうであり、その理由は、空気は、動く余地がほとんどないからである。同様に、デバイス閉鎖の場合、減衰の減少は、同じ理由で最終閉鎖段階において最も顕著であろう。これは閉鎖遅延の大部分が生じる場合なので、チャネルは、閉鎖速度の顕著な増大を可能にすることができる。速度の面での利点は、例えば、所与の速度の場合に駆動電圧又はばね定数を減少させることができるという利点、或いは、例えば所与の速度の場合に高い動作圧力又は粘度の高い流体を用いることができるという他の利点と引き換え可能である。チャネルに関する別の用途は、流体を閉鎖時に対向した表面相互間に強制的に流入させて対向した表面を離すのに役立ち、それにより開放速度を増大させ又は静止摩擦（スティクション）に打ち勝つことができる。

さらに別の実施形態では、メカニカル層は、第２の電極を一部とする少なくとも１つの可動部分を備え、可動部分は、弾性結合により可動素子の主要部分に結合される。独立して動くことができる部分により、基板に向かう可動素子の運動又は２つのモードでの可動素子の運動が可能である。その結果、可動素子全体だけでなく個々の可動部分の又は変形例として可動素子の主要部分のみが基板に取り付けられることになる。それにより、静止摩擦の問題は軽減される。というのは、第１に、取付け面積が減少し、第２に、弾性結合により、固有の反力が得られるからである。

好ましくは、電子デバイスは、運動に依存する力を前記可動素子に及ぼすよう結合されると共に前記可動素子と基板に設けられた１つ又は２つ以上の突起との間に位置する１つ又は２つ以上の可撓性素子を更に有する。かかる可撓性要素又はばね構造体はそれ自体、米国特許第６，５５７，４１３号明細書から知られている。それにより、可動素子は、狭い領域でしか基板に取り付けられず、かかる可動素子は、全体として、第１の基板に一層容易に近づいたりこれから遠ざかることができる。

さらに別の実施形態では、静止摩擦防止バンプが、垂直相互連結部によりメカニカル層に連結された状態で中間層中に構成される。かかる静止摩擦防止バンプは、電極が全く存在しない基板上の領域と対向して配置される。従って、バンプは、荷電されず、バンプは、静止摩擦を生じる恐れが無い。好ましくは、バンプの垂直相互連結部は、中間層と平行な平面内に直径を有し、この直径は、中間層中のバンプ表面の直径よりも小さい。これにより、良好な衝合表面が得られることが判明した。

メカニカル層と静止摩擦防止バンプの両方に弾性結合を設けることが非常に好ましい。これにより、ばね構造体の有効弾性定数は、静止摩擦防止バンプが基板と接触状態にあるときに高くなるということが判明した。その結果、上向きの力が増大することになる。

理解されるように、ＭＥＭＳ素子が検出機能を持たず、能動的にアドレスされなければならず、すなわち、スイッチ又は可同調キャパシタとしてアドレスされなければならない場合、１つ又は２つ以上の作動電極が必要である。作動電極を第１の電極に具体化できるが、好ましくは、１つ又は２つ以上の独立の作動電極が設けられる。本発明の有利な一実施形態では、作動電極は、中間層中に構成され、幾つかの部分には分割されない。この構造では、可動素子上の作動電極と基板上の作動電極との間の最小距離は、第１の電極と第２の電極との間の最小距離よりも長い。

本発明のＭＥＭＳ素子は、キャパシタとしての用途に非常に適しているが、スイッチとしても非常に適している。

別の実施形態では、薄膜キャパシタが、ＭＥＭＳ素子に隣接して設けられ、薄膜キャパシタは、基板の第１の側に設けられた第１の電極及び中間層中に設けられた第２の電極を備え、電極相互間には、誘電体の層が設けられる。基板上に被着された金属層、中間層（一般に金属で作られる）及びメカニカル層（例えば、金属で作られる）を備えた本発明のデバイスにより、薄膜キャパシタとＭＥＭＳ素子の効果的な一体化が可能である。これは、選択的エッチングにより犠牲層を除去することにより達成される。選択的エッチングは、エッチング剤の流量の問題である場合がある。好ましくは、ＭＥＭＳ素子は、エッチング剤の流量を制限するよう非エッチング性材料のリングによって包囲される。このリングは、例えば、可動素子を基板に取り付ける手段としても支持体であるが、これは、別個のリングであってもよく、或いは、ＭＥＭＳ素子のパッケージの一部であってもよい。メカニカル層が金属である場合、インダクタ及びこれと同等な素子のデフィニションに非常に適している。

本発明のデバイスは、エッチング剤を用いることにより基板と中間層とメカニカル層との間の犠牲層をエッチングにより除去することにより適当に製造することができる。これは、それ自体、当該技術分野において公知である。好ましくは、ドライエッチングが用いられるが、変形例として、ウェットエッチングを所望の結果が得られるように利用できる。フッ素含有ドライエッチング剤が好ましく、好適には、基板は、かかるフッ素含有ドライエッチング剤に対して耐性があるエッチング停止層で保護される。

図面を参照して本発明の電子デバイスの上記特徴及び他の特徴を更に説明する。

別々の図に記載されているが、同じ符号は、同じ構成要素を示している。図は、縮尺通りには作成されておらず、性格上、略図であるに過ぎない。

図１は、ＭＥＭＳ素子の略図、図２は、その詳細図である。ＭＥＭＳ素子は、第１の電極１０１の方へ向き、第１の電極から空隙１１０を置いて離された第２の電極１１を備える可動素子１００を有する。第１の電極１０１は、基板１４上に設けられている。突起２が、この基板１４上に設けられており、可動素子１００は、可撓性要素８０によりこの突起に機械的に連結されている。可動素子１００は、その主要な層として、メカニカル層１２を有し、このメカニカル層は、機械的安定性をもたらすよう設計されている。メカニカル層は、この例では、金属又は合金であるが、層である必要はない。支持機能のみを有する絶縁層を用いてもよい。変形例として、メカニカル層は、何らかの必要とされる作動を可能にするよう膨張可能な圧電層であってもよい。一般に、メカニカル層１２は、厚さが１ミクロン以上のオーダの層である。可動素子１００は、最小限の距離を定め、可動素子１００の平面度を維持する静止摩擦防止（anti-stiction）バンプ１８０を更に有する。非荷電型カウンタ１８０が、基板１４上に設けられている。可動素子１００は、第２の電極１１に隣接して設けられた作動電極１６０を有する。作動電極１６０は、第２の電極１１を包囲して１つの電極を効果的に構成するよう完全に又は実質的にリングの形をしているのがよい。代替例として、２つ以上の作動電極１６０が用いられる。対向電極１６１は、基板１４上の作動電極１６０と対向して設けられている。

本発明によれば、第２の電極１１は、複数の独立した部分１３１，１３２，１３３から成り、これら部分は、垂直相互連結部１２１，１２２，１２３によりメカニカル層１２に連結されている。その結果、セグメント状の第２の電極１１が構成されている。可動素子が閉じられ、第２の電極１１が したとき、垂直相互連結部１２１，１２２，１２３相互間の領域により通気チャネル２００が構成される。

図３は、本発明の電子デバイスの実施形態を示している。この電子デバイスは、酸化物層１４１を備えたこの場合シリコンの基板１４を有している。この基板上には、エッチング停止層１８及びベース層１０が設けられている。エッチング停止層１８は、好ましくは、フッ素プラズマエッチング剤に対するエッチング停止層である。エッチング停止層１８は好ましくは、第ＩＶ族の酸化物、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２及びＴｉＯ_２のうち任意の１つから成る。好ましい一実施形態では、エッチング停止層１８は、厚さが例えば１００ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３から成るのがよい。

第１の電極１０１は、ベース層１０内に構成されている。この第１の電極は、第２の電極１１から空隙１１０を置いて離されている。この空隙１１０は、第１の犠牲層１６及び第２の犠牲層１７の選択的除去により形成されている。犠牲層１６，１７は、例えば、Ｓｉ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２、Ｗ、Ｍｏから成るのがよいが、任意の強誘電体のものであってもよい。メカニカル層１２は、これが除去されない限り、空隙１１０及び第２の犠牲層１７の上に設けられる。垂直相互連結部１２１，１２２，１２３が、第２の電極１１の別々の部分１３１，１３２，１３３をメカニカル層１２に連結している。メカニカル層１２及びベース層１０は、導体、例えばＡｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｕ又はＰｔから成る。この実施形態では、アルミニウム導体が、ベース層に用いられ、Ａｌ_０．９８Ｃｕ_０．０２の合金がメカニカル層に用いられている。第１の電極１０１及び（又は）第２の電極１１は、自然にできる酸化物層を備えるのがよく、この酸化物層は、適当なプラズマエッチングによる処理によって得られる。

マスク２０が、メカニカル層１２の頂部上に被着されている。このマスク２０は、犠牲層１７に通じる窓２１を有している。マスク２０に関し、厚さ５μｍのポリイミドが用いられる。これは、メカニカル層１２の厚さ、例えば、１μｍを考慮すると適当であり、プラズマエッチング剤、例えばフッ素プラズマに対して十分な保護を提供する。しかしながら、エッチング剤による処理をウェットエッチング（湿式化学エッチング）で実施可能であることが排除されるわけではない。その場合、エッチング停止層１８は、存在している必要はなく、或いは、別途選択可能である。

犠牲層１６，１７を除去するエッチングステップ後においては、マスク２０を除去する必要はない。この例では、マスク２０は、ＭＥＭＳ素子としての可動素子の一部を構成する。加うるに、マスクは、電子デバイスの他の要素のためのパッシベーション層としての役目を果たすことができる。マスク２０は更に、接触パッドとして、又は、気密パッケージ用の密封リングとして使用できる所望のパターンに従って別の金属層となるよう使用できる。

図４は、一実施形態の可動素子１００の平面図である。可動素子１００は、可撓性要素８０により基板１４上の突起２に取り付けられている。アンチプルイン（引込み防止）バンプ又は静止摩擦防止バンプ１８０が、可動素子１００のコーナー部の所に設けられている。可動素子１００のＵ字形領域は、作動電極１６０として用いられる。エッチング穴２１が、作動電極１６０に設けられている。第２の電極１１は、Ｕ字形作動電極１６０内に設けられている。第２の電極は、エッチング穴２２を備えている。第２の電極は、作動電極表面を構成する複数個の部分１３１，１３２を備えている。

ＭＥＭＳ素子の略図である。 本発明を示す図１の詳細図である。 本発明の電子デバイスの実施形態の概略断面図である。 実施形態の平面図である。

Claims (11)

1. 微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子を有する電子デバイスであって、前記ＭＥＭＳ素子が、第１の電極と、可動素子の一部であり、第１の位置と第２の位置との間で前記第１の電極に近づいたりこれから遠ざかることができる第２の電極とを有し、前記第２の電極が、その第１の位置において、前記第１の電極から隙間を置いて離隔され、前記可動素子が、メカニカル層及び中間層を有し、前記第２の電極が前記中間層中に構成されている電子デバイスにおいて、
   前記第２の電極は、前記中間層中の複数の部分によって構成され、前記部分は各々、別個の垂直相互連結部によって前記メカニカル層に機械的に連結されており、
   前記垂直相互連結部は、前記第２の電極よりも小さな直径を有する、
   電子デバイス。
2. 少なくとも１つの貫通穴が、前記可動素子に設けられており、前記貫通穴は、前記メカニカル層及び前記中間層中の１つの前記部分を貫通している、請求項１に記載の電子デバイス。
3. 前記可動素子は、通気チャネルを備え、前記通気チャネルの第２の閉鎖位置では、前記部分と前記相互連結部との間の空間は、互いに離れている、請求項２に記載の電子デバイス。
4. 前記メカニカル層は、前記第２の電極を一部とする少なくとも１つの可動部分を備え、前記可動部分は、弾性結合により前記可動素子の主要部分に結合されている、請求項１に記載の電子デバイス。
5. 運動に依存する力を前記可動素子に及ぼすよう結合されると共に前記可動素子と基板に設けられた１つ又は２つ以上の突起との間に位置する１つ又は２つ以上の可撓性素子を更に有する、請求項１又は４に記載の電子デバイス。
6. 少なくとも１つの静止摩擦防止バンプが設けられている、請求項１、４、５のいずれかに記載の電子デバイス。
7. 少なくとも１つの作動電極が設けられている、請求項１、４、５、６のいずれかに記載の電子デバイス。
8. 前記中間層と前記メカニカル層は、互いに異なる材料から成る、請求項１に記載の電子デバイス。
9. 前記ＭＥＭＳ素子に隣接して設けられた薄膜キャパシタを更に有し、前記薄膜キャパシタは、前記基板の第１の側に設けられた第１の電極及び前記中間層中に設けられた第２の電極を備え、前記電極相互間には、誘電体の層が設けられている、請求項１に記載の電子デバイス。
10. 前記メカニカル層は、金属から成る、請求項１に記載の電子デバイス。
11. 微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子であって、
    基板と、
    前記基板の上に置かれた第１の電極と、
    前記基板の上に置かれ且つこれに近づいたり遠ざかったりすることができる、可動素子と、
    前記可動素子の上に置かれた少なくとも３つの第２の電極であって、前記各第２の電極は前記第１の電極に被さっており、前記第２の電極は第１の位置と第２の位置との間で前記第１の電極に近づいたりこれから遠ざかることができ、前記第２の電極が、その第１の位置において、前記第１の電極から隙間を置いて離隔されている、第２の電極と、
    少なくとも３つの垂直相互連結部であって、前記各垂直相互連結部は前記各第２の電極を前記可動素子に機械的に連結する、垂直相互連結部と、
    を備え、
    ここにおいて、前記各垂直相互連結部は、前記可動素子の主面に平行な面に対して、平行な断面領域を有し、前記各垂直相互連結部はこの垂直相互連結部に接続された第２の電極の１つの水平断面領域よりも小さい、
    微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子。

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