JP5113185B2 - パッシェン・スタッキングを用いた充電ガード - Google Patents

Description

本発明は、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ, micro-electro mechanical system）デバイスに関し、より詳細には、高い印加電圧下で安全に動作するように適合されたＭＥＭＳミラーに関する。

一般に、ＭＥＭＳデバイスは、一部には周知の集積回路（ＩＣ）作製プロセスを使用して形成される。１つのそのようなデバイスが、静電駆動に応答して枢動するように適合されたジンバル式ミラーである。ミラーの動きを使用し、光ビームの方向を変える。静電駆動は、しばしば、基板の平坦な表面上に形成された電極と、電極の上方で位置決めされたミラーとの間の容量性作用を介して達成される。比較的大きな角度運動の範囲を得るために、ミラーは、比較的長い距離で電極の上方に懸吊される。したがって、始動を引き起こすために、比較的大きな電圧がしばしば必要である。

実際には、印加することができる最大電圧は、よく理解されている絶縁破壊作用によって制限される。たとえば、２つの平坦な電極が一様な間隙によって分離されている場合、周囲の気体が絶縁破壊を起こす電圧は、図１に示されている周知のパッシェンの曲線によって説明される。図１からわかるように、正確な曲線は周囲の気体のタイプによって決まるが、おおまかな形状は同様である。絶縁破壊は、電気エネルギーの制御されない放出を特徴とし、その放電にさらされるどんな表面に対しても激しい物理的損傷を引き起こすおそれがある。

周囲の気体の絶縁破壊に加えて、絶縁破壊は、表面に沿って発生する可能性もある。２つの導体が絶縁体によって分離されている場合、絶縁破壊は、その絶縁体の表面に沿って発生する可能性がある。パッシェン絶縁破壊とは異なり、表面絶縁破壊は、分離の単関数ではなく、絶縁体の直線経路長のより複雑な関数であり、表面汚染による強い影響を受ける。

絶縁破壊が気体を介して発生しようと表面上で発生しようと、静電駆動を使用するＭＥＭＳデバイスの安全動作は、絶縁破壊を引き起こすことになる電圧未満で行われなければならない。この制約は、上述のＭＥＭＳミラーなど静電ＭＥＭＳデバイスの設計に対して実用上の制限を課す。

静電ＭＥＭＳデバイスで遭遇する他の共通問題は、電極と様々な絶縁表面層との間の表面電位の制御である。誘電表面上の表面電位は、電極間の誘電表面に沿った電荷移動により、時間の経過につれてドリフトする傾向がある。これは、ミラー位置決めの繰返し性に関して深刻な問題を引き起こすおそれがある。

これらの表面の導電特性は、温度、水分、および他の環境要因に対する感応性により本来不安定なものである。また、電磁放射（光）による影響を受ける可能性があり、これは、応用例に応じて時間依存性とすることができ、システムのクロストークの一因となる。また、これらの表面の導電性は、不純物、ならびに堆積および表面のエッチング時に使用されるプロセスステップおよび材料による強い影響を受ける。これらの要因のすべてが組み合わされて、始動可能な要素に加えられる力およびトルクに貢献する表面電位を制御できなくなる一因となり、デバイスが信頼性のない、制御不能なものになる。

ＭＥＭＳベースのミラーが、それと隣り合う電極間にトレンチを設けることにより、比較的高い印加電圧に耐えるように適合され、制御されない表面電位にさらされることが実質的に低減される。したがって、このＭＥＭＳベースのミラーは、電圧ドリフトを回避し、改善されたミラー位置安定性を有する。トレンチの寸法は、各隣り合う電極の対の間で印加される電圧が、たとえばパッシェン曲線によって決定された、事前画定された限界内にとどまるように選択される。

一実施形態では、電極（導電性要素）がシリコン基板内で形成される。二酸化ケイ素など絶縁層を使用し、電極を互いに、また基板の残りの部分から電気的に分離する。各絶縁層は、部分的に、関連付けられたトレンチの上方に延びる。いくつかの実施形態では、この延長部の高さが、この延長部の幅の２倍から４倍である。関連付けられたトレンチの底面から突出する絶縁層延長部は、電極を互いに、また基板の残りの部分から分離する絶縁体表面に沿って、より長い経路長をもたらす。より長い経路長は、表面絶縁破壊作用を緩和し、したがって、上記で論じたトレンチと共に、比較的大きな電圧を電極に印加することを可能にする。

制御されない表面電位にさらされることを低減するために、絶縁層の上面は、電極の上面から実質的に陥凹される。絶縁体上に蓄積する電荷があればそれは、トレンチの導電性側壁によって遮蔽されることになり、それにより、絶縁体上の表面電位ドリフトに対するデバイスの感受性を低減する。

本発明のＭＥＭＳベースのミラーに印加することができる電圧の範囲をさらに増大するために、多数のトレンチが、これらの電圧を受ける電極間に配置される。各トレンチは、同じ深さ、および同じ幅を特徴とする。トレンチ高さは、トレンチ幅と異なってもよい。各電極を電気的に分離する絶縁層は、各トレンチの底面から上向きに延び、電極の上面から実質的に陥凹される。各電極を電気的に分離する多数のトレンチにより、そのようなトレンチの数に応じて、印加電圧をカスケード（従属接続）にして任意の高い値にすることができる。

従来技術で知られている、トレンチ間隙の関数としての絶縁破壊電圧の図である。

本発明の一実施形態によるＭＥＭＳベースのミラーの横断面図である。

本発明の一実施形態による、図２に示されているＭＥＭＳベースのミラーの上面図である。

本発明の一実施形態による、図２に示されているＭＥＭＳベースのミラーの斜視図である。

本発明の他の実施形態によるＭＥＭＳベースのミラーの横断面図である。

図４に示されているＭＥＭＳベースのミラーの上面図である。

図２は、本発明の一実施形態によるＭＥＭＳベースのミラー１０の横断面図である。下記で述べるように、ＭＥＭＳベースのミラー１０は、比較的高い印加電圧に耐えるように適合され、制御されない表面電位にさらされることが実質的に低減され、それにより、電圧ドリフトやミラー位置不安定性を回避する。

図２からわかるように、電極１４、１６は、絶縁体２０、２４を介して基板の残りの部分から電気的に分離され、絶縁体２２を介して互いに電気的に分離される。ＭＥＭＳベースのミラーのこの例示的な実施形態１０では、これらの電極、ならびにミラー３４を支持する支持構造３０、３２が、シリコンを使用して形成され、したがって、電極およびベース材料に対して合致する熱膨張係数を有する。そのような実施形態では、絶縁層２０、２２、２４は、二酸化ケイ素を使用して形成することができる。金属パッド２６、２８を使用し、電極１４、１６に電圧を印加する。図示されていないが、ベース基板１２に電圧を印加するために、やはり同様の金属パッドが形成され使用されることを理解されたい。

ＭＥＭＳベースのミラー１０は、一部には、電極間に配置されたトレンチ、ならびに電極と基板の間に配置されたトレンチを特徴とする。図２には、基板１２と電極１４の間に配置されたトレンチ３６と、電極１４と電極１６の間に配置されたトレンチ３８と、電極１６と基板１２の間に配置されたトレンチ４０とが示されている。絶縁層２０、２２、２４は、それぞれトレンチ３６、３８、４０の底面から延びるように形成される。それぞれＨおよびＷで示されている酸化物延長部の高さおよび幅は、電極を互いに、また基板の残りの部分から分離する絶縁体表面に沿って全経路長を増大するように選択される。さらに、これらのトレンチのそれぞれの幅Ａ、ならびに、上記寸法Ｈ、Ｗは、下記でさらに論じるように、各隣り合う電極対の間で印加することができる電圧を最大にするように選択される。

図１は、一般にパッシェン曲線と呼ばれる、トレンチ幅Ａの関数としての絶縁破壊電圧を、空気６２と窒素６４の双方に関して示す。たとえば、トレンチ幅Ａが約８０〜９０μｍであるとき、絶縁破壊電圧は、約８００ボルトである。追加の動作マージンを与えるために、いくつかの実施形態では、８０μｍのトレンチ幅が選択されたとき、たとえば４００ボルトの最大電圧が、各隣り合う電極対の間で印加される。追加のマージンを追加する別の理由は、図１における曲線では、電極が量において無限であると仮定されていることである。実際の電極はサイズが有限であり、鋭い縁部によって引き起こされるフリンジ場（fringe field）が、無限電極の場合に比べて局所電界を著しく増大する可能性がある。そのような電界増加は、絶縁破壊電圧の実際の値をパッシェン曲線に比べて減少させる可能性がある。安全な経験則は、パッシェンによって予測される絶縁破壊電圧から２倍の安全マージンで動作させることである。２以外の安全マージン係数を使用してもよいことを理解されたい。

発生する可能性がある別のタイプの絶縁破壊は、表面絶縁破壊である。この場合、絶縁破壊は、絶縁体の表面に沿って発生し、図１に表示されているものより複雑な、導体間の分離の関数である。一般に、絶縁破壊電圧は、２つの導体を分離する絶縁体の表面に沿った全経路長が増大するにつれて増大する。したがって、いくつかの実施形態では、たとえば電極１４と電極１２の間で、絶縁体に沿った全経路長を増大するために、絶縁体が、トレンチの底部の上方、高さＨに延長される。一実施形態では、それぞれＨおよびＷとして示されている酸化物延長部の高さおよび幅は、たとえば２０μｍおよび１０μｍのそれぞれの値を有するように選択される。基板の裏面上の絶縁層６６は、絶縁破壊が裏側で発生するのを防止する。

図２は、絶縁体２０、２２、２４の上面は、実質的に電極１４、１６、および基板１２の表面の下方に配置されることを示す。絶縁体をこれらの表面の下方に陥凹させることにより、時間の経過につれて絶縁体上で蓄積する電荷が、トレンチの導電性側壁によって効果的に遮蔽され、それにより、そのような充電プロセスに対するデバイスの感受性を低減する。一般に、アスペクト比（Ｂ−Ｈ）／Ａが大きくなるほど、ＭＥＭＳデバイスは、絶縁体上の充電に対して感応しなくなる。いくつかの実施形態では、トレンチ幅に対する絶縁体深さの比率、すなわち（Ｂ−Ｈ）／Ａは、２とすることができる。たとえば、各隣り合う電極の対、たとえば電極１４と電極１６の間で、または基板と、隣り合う電極、たとえば基板１２と電極１４の間で４００Ｖの印加を持続するために、一実施形態では、絶縁体深さ（Ｂ−Ｈ）が、１６０μｍになるように選択され、トレンチ幅Ａが、８０μｍになるように選択される。絶縁体高さが、たとえば２０μｍである場合には、トレンチ深さは、たとえば１８０μｍである。

図３は、Ａ−Ａ’線に沿った断面図が図２に示されているＭＥＭＳベースのミラー１０の上面図の例示的な実施形態である。図３からわかるように、電極１４と電極１６は、一部には、それぞれがＡの幅を有するトレンチ３６、３８、４０によって互いに分離されて示されている。それぞれのトレンチ２０、２２、２４の底面から突出する絶縁用酸化物延長部のそれぞれは、Ｗの幅を有する。酸化物延長部の高さは、図２に示されている横断面図からわかる。図４は、ＭＥＭＳベースのミラー１０の斜視図である。

本発明のＭＥＭＳベースのミラーに印加することができる電圧の範囲をさらに増大するために、多数のトレンチが、これらの電圧を受ける電極間に配置される。図５は、そのような実施形態によるＭＥＭＳベースのミラー２０の横断面図である。電極１６と電極１８の間にトレンチ４０が配置され、電極１８と基板４６の間にトレンチ４４が配置される。同様に、電極１４と電極１２の間にトレンチ３６が配置され、電極１２と基板４６の間にトレンチ４２が配置される。トレンチ３８は、電極１４と電極１６の間に配置される。

図５に示されているトレンチのそれぞれは、深さＢおよび幅Ａを特徴とする。トレンチ寸法は、図２に示されているパッシェン曲線に従って選択される。たとえば、一実施形態では、電極１６と基板４６の間で８００Ｖの印加を持続するために、一実施形態では、トレンチ深さＢが、１８０μｍになるように選択され、トレンチ幅Ａが、８０μｍになるように選択される。一実施形態では、酸化物延長部の高さＨおよび重量Ｗが、たとえば２０μｍおよび１０μｍのそれぞれの値を有するように選択される。

図６は、Ａ−Ａ’線に沿った断面図が図５に示されているＭＥＭＳベースのミラー２０の上面図の例示的な実施形態である。図６からわかるように、たとえば、基板４６と電極１６は、一部には、それぞれがＡの間隙を有するトレンチ４４、４０によって互いに分離されて示されている。それぞれのトレンチ４４、４０、３８、３６、４２の底面から突出する絶縁用酸化物延長部５２、２４、２２、２０、５０のそれぞれは、Ｗの幅を有する。酸化物延長部の高さは、図４に示されている断面からわかる。より多くのトレンチを、酸化物または他の絶縁材料がこれらのトレンチの上方に延びる状態で設けることにより、実質的により高い電圧を電極間で印加することができることを理解されたい。たとえば、それぞれが安全にたとえば４００Ｖをサポートするように選択された３つのトレンチを設けることにより、１２００ボルトの印加電圧を持続することができる。

本発明の上記の実施形態は例示的なものであり、限定するものではない。様々な代替および均等物が可能である。本発明は、電極間に配置されたトレンチの高さまたは幅によって限定されない。あるいは、本発明は、トレンチの底部から突出する絶縁延長部、たとえば酸化物、窒化物、または他のものの高さまたは幅によっても限定されない。本発明は、トレンチの数によって限定されず、本発明は、各トレンチから突出する延長部の数によっても限定されない。本発明は、電極を形成するために使用される材料によって限定されない。また、本発明は、他のＭＥＭＳデバイスで使用することができる。他の加減または修正は、本開示に鑑みて自明であり、添付の特許請求の範囲内に入るものとする。

１０ ＭＥＭＳベースのミラー；
１２ 基板；
１４、１６、１８ 電極；
２０、２２、２４、６６ 絶縁層；
２６、２８ 金属パッド；
３０、３２ 支持構造；
３４ ミラー
３６、３８、４０ トレンチ
６２ 空気； ６４窒素。

Claims (6)

1. 基板に形成され、前記基板から分離していない第１および第２の隣り合う電極と、
   前記第１の電極と前記第２の電極の対向する側部間に空隙を形成し、それにより前記第１の電極と前記第２の電極の間にパッシェン絶縁破壊を生じさせない間隔をもたらすように、前記第１と第２の隣り合う電極間に配置された開口トレンチと、
   前記第１の電極と前記第２の電極の間に形成された第１の絶縁層であって、前記第１の電極と前記第２の電極の間にさらなる電気的な障壁を形成するように、前記開口トレンチの底面から突出する自立壁を画定し、前記隣り合う電極間の前記自立壁の両側で空気空間を有する第１の絶縁層と
   を備え、
   前記開口トレンチの高さＢは前記開口トレンチの幅Ａより大きく、
   前記開口トレンチの前記底面から突出する前記第１の絶縁層の自立壁の高さＨは、前記自立壁の幅Ｗより大きいことを特徴とする静電制御式微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス。
2. 前記基板がシリコン基板である、請求項１に記載の静電制御式ＭＥＭＳデバイス。
3. 前記第１の絶縁層が二酸化ケイ素である、請求項２に記載の静電制御式ＭＥＭＳデバイス。
4. 前記電極の上方に置決めされたミラーをさらに備える、請求項１に記載の静電制御式ＭＥＭＳデバイス。
5. 基板に形成され、前記基板から分離していない第１および第２の隣り合う電極と、
   前記基板に形成され、前記基板から分離していない、前記第２の電極に隣り合う第３の電極と、
   前記第１の電極と前記第２の電極の対向する側部間に空隙を形成し、それにより前記第１の電極と前記第２の電極の間にパッシェン絶縁破壊を生じさせない間隔をもたらすように、前記第１と第２の隣り合う電極間に配置された第１の開口トレンチと、
   前記第２の電極と前記第３の電極を空隙で分離するように前記第２の電極と前記第３の電極の間にエッチングされた第２の開口トレンチと、
   前記第１の電極と前記第２の電極の間に形成された第１の絶縁層であって、前記第１の電極と前記第２の電極の間にさらなる電気的な障壁を形成するように、前記第１の開口トレンチの底面から突出する自立壁を画定し、前記隣り合う電極間の前記自立壁の両側で空気空間を有する第１の絶縁層と、
   前記第２の電極と前記第３の電極の間に形成された第２の絶縁層であって、前記第２の電極と前記第３の電極の間にさらなる電気的な障壁を形成するように、前記第２の開口トレンチの底面から突出する第２の自立壁を画定し、隣り合う電極間の前記壁の両側で空気空間を有する第２の絶縁層と、
   を備え、
   前記第１および第２の開口トレンチが同じ寸法であり、前記第１および第２の開口トレンチのそれぞれの高さＢが、前記第１および第２の開口トレンチのそれぞれの幅Ａより大きく、
   前記第１および第２の絶縁自立壁が同じ寸法であり、前記第１および第２の各自立壁の高さＨが、前記第１および第２の各自立壁の幅Ｗより大きいことを特徴とする静電制御式微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス。
6. 基板に互いに隣り合って形成され、前記基板から分離していないＮ個の電極と、
   前記隣り合う電極間にパッシェン絶縁破壊を生じさせない間隔をもたらす空隙をそれぞれ形成するように、それぞれが前記隣り合う電極の、異なる対の間に配置されたＭ個の開口トレンチと、
   それぞれが前記Ｍ個の開口トレンチの異なる１つに関連付けられ、それぞれが、隣り合う電極の、異なる対の間に形成されたＭ個の絶縁層であって、それぞれが、関連付けられた開口トレンチの底面から突出するそれぞれの自立壁を画定し、前記隣り合う電極間の前記壁の両側で空気空間を有するさらなる電気的な障壁を形成するＭ個の絶縁層と、
   前記電極と対向して位置決めされた１つまたは複数のミラーと
   を備え、
   前記各開口トレンチの高さＢが前記各開口トレンチの幅Ａより大きく、
   前記各開口トレンチの前記底面から突出する前記各絶縁層の自立壁の高さＨが、前記自立壁の幅Ｗより大きいことを特徴とする静電制御式微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス。

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