JP5579118B2 - 湾曲バイレイヤーによるメカニカルスイッチ - Google Patents

Description

本発明はマイクロメカニカルスイッチ並びにマイクロメカニカルスイッチを作製し及び動作させる方法に関する。

メカニカルスイッチは、開スイッチ状態及び閉スイッチ状態間の切換えの転換中に移動する電気接続を有する電気スイッチである。多くのメカニカルスイッチにおいて、制御可能な電気機械装置が開スイッチ状態及び閉スイッチ状態間の転換を駆動する。電気機械装置は、これらの状態の一方又は両方において連続的に通電されなくてはならないことが多い。そのようなメカニカルスイッチの一例として、閉スイッチ状態では電磁石がスイッチの接点同士を常に保持する電気機械リレーがある。スイッチ状態の一方又は両方においてそのような電気機械制御装置を連続的に通電することが必要となることによって、そのようなスイッチを用いるための電力コストが高くなってしまう。

種々の実施例は、バイレイヤーの異なる安定湾曲構成が異なるスイッチ状態、即ち、開スイッチ状態及び閉スイッチ状態に対応するようなメカニカルスイッチを含む装置を提供する。あるメカニカルスイッチでは、閉スイッチ状態及び開スイッチ状態を維持するのに電力が不要である。

一側面において、装置はメカニカルスイッチを含む。メカニカルスイッチは第１及び第２の安定湾曲状態を持つバイレイヤーを含む。第１の状態から第２の状態へのバイレイヤーの変形によってスイッチが閉じる。

他の側面において、装置は、上表面を有する基板、上表面に沿って配置され基板に固定された複数の電極、及び基板に１以上の柱によって取り付けられたバイレイヤーを含む。バイレイヤーは第１の安定湾曲状態と第２の安定湾曲状態の間で変形することができる。バイレイヤーは第１及び第２の安定湾曲状態で湾曲する異なるエッジを有する。

ある実施例では、上述の装置はバイレイヤー上に配置された電気ジャンパー及び上表面上に配置され基板に固定された第１及び第２の電気線を含んでいてもよい。電気ジャンパーは、バイレイヤーが第１の湾曲状態にあることに応じてこれらの線を電気的に接続し、バイレイヤーが第２の湾曲状態にあることに応じてこれらの線を短絡しないように構成されている。

他の側面において、メカニカルスイッチを製造する方法は、応力を加えられたバイレイヤーを基板の上表面に、コネクタがバイレイヤーを基板に物理的に接続する態様で、形成する工程、及びバイレイヤーと上表面の間に配置された犠牲金属層を除去することによってバイレイヤーを解放する工程を含む。

図１は長方形状の例示の弾性バイレイヤーの２つの座曲又は湾曲安定状態を示す概略図である。 図２Ａは、マイクロメカニカルスイッチの開スイッチ状態又は閉スイッチ状態を切り換えるために、異なる安定湾曲状態間でのバイレイヤーの変形を用いるマイクロメカニカルスイッチの３つの実施例の断面図である。 図２Ｂは、マイクロメカニカルスイッチの開スイッチ状態又は閉スイッチ状態を切り換えるために、異なる安定湾曲状態間でのバイレイヤーの変形を用いるマイクロメカニカルスイッチの３つの実施例の断面図である。 図２Ｃは、マイクロメカニカルスイッチの開スイッチ状態又は閉スイッチ状態を切り換えるために、異なる安定湾曲状態間でのバイレイヤーの変形を用いるマイクロメカニカルスイッチの３つの実施例の断面図である。 図３は図２Ａ−２Ｃのマイクロメカニカルスイッチのバイレイヤーを示す底面図である。 図４は図２Ａ−２Ｃのバイレイヤーの実施例を通る一垂直面を示す断面図である。 図５Ａは図２Ａ−２Ｃのマイクロメカニカルスイッチの一実施例におけるバイレイヤーの下側に面し配置される表面を上から見た図である。 図５Ａは図２Ａ−２Ｃのマイクロメカニカルスイッチの他の実施例におけるバイレイヤーの下側に面し配置される表面を上から見た図である。 図６Ａは図２Ａのメカニカルスイッチにおいてバイレイヤーの中心を基板に固定する圧縮スプリング（ＣＳ）の上面図である。 図６Ｂはどのようにスプリングがバイレイヤーの中心を基板に作用させるかを示す、図６Ａの圧縮スプリング（ＣＳ）の側面図である。 図７は複数の安定湾曲状態を有するバイレイヤーを持つマイクロメカニカルスイッチ、例えば、図２Ａ−２Ｃのマイクロメカニカルスイッチを動作させる方法を示すフローチャートである。 図８は異なるスイッチ状態が異なる安定湾曲状態に関連付けられるマイクロメカニカルスイッチを製造するための、例えば、図２Ａ−２Ｃのマイクロメカニカルスイッチの実施例を作製するための、方法を示すフローチャートである。 図９は図８の方法の種々の実施例の実行中に製作された中間構造体の断面図である。 図１０は図８の方法の種々の実施例の実行中に製作された中間構造体の断面図である。 図１１は図８の方法の種々の実施例の実行中に製作された中間構造体の断面図である。

図面及び文章において、同じ符号は同様の構造及び／又は機能を持つ要素を示す。
図面において、ある構成の相対寸法は、そこにおける構造の一以上をより明確に示すために誇張されている場合もある。
なお、種々の実施例が「図面」及び「発明を実施するための形態」によってより完全に記載されている。それでもなお、本発明は種々の形態で具現化されることができ、「図面」及び「発明を実施するための形態」に記載される実施例に限定されるものではない。

２つのレイヤーが非類似の組成を持つ弾性平面バイレイヤーは内部応力傾斜をしばしば受ける。内部応力傾斜は多角形状のバイレイヤーの平面状態を不安定にさせる。そのため、そのような平面バイレイヤーは自然に座曲して湾曲し得る。座曲又は湾曲された状態では、バイレイヤーは軸、例えば、バイレイヤーの対辺の中間点を通る軸に関して湾曲する。バイレイヤーが偶数のエッジ（辺）の多角形状を有する場合、バイレイヤーは１より多い安定湾曲状態を持つことになる。

図１は平坦な表面１２上に配置された弾性バイレイヤー１０の安定湾曲状態を示す。弾性バイレイヤー１０は平らになったときには長方形状又は正方形状を有する。弾性バイレイヤー１０において、一方の対の対辺の中心点が「Ａ」で示され、他方の対の対辺の中心点が「Ｂ」で示される。

図１の上段及び下段にそれぞれ示すように、弾性レイヤー１０は２つの安定湾曲状態を持つ。図１の上段は、弾性バイレイヤー１０がバイレイヤーの中心線Ｂ−Ｂの長さ全体に沿って平板表面１２と接触する第１の安定湾曲状態を示す。この湾曲状態では、中心点「Ａ」を含む弾性レイヤーの対辺は、縦方向の点線で示すように平坦表面１２の上方に持ち上げられ、中心点「Ｂ」を有するバイレイヤーエッジが湾曲される。第２の安定湾曲状態では、弾性バイレイヤー１０はバイレイヤーの中心線Ａ−Ａの長さ全体に沿って平坦表面１２と接触する。この湾曲状態では、中心点「Ｂ」を含む弾性バイレイヤーの対辺は、縦方向の点線で示すように平坦表面１２の上方に持ち上げられ、中心点「Ａ」を有するバイレイヤーエッジが湾曲される。従って、安定湾曲状態の各々は弾性バイレイヤー１０の１つの中心線を平坦表面１２に接触配置する。バイレイヤーの安定湾曲状態はバイレイヤーの多角形状によって定められる。

図１は弾性バイレイヤー１０をその２つの安定湾曲状態間で変形する方法を示している。本方法は、その各湾曲状態が１つの中心線、即ち、Ａ−Ａ又はＢ−Ｂを線の長さ全体に沿って平坦支持表面１２に接触させて位置させることを利用する。特に、弾性多角形バイレイヤー１０の第１の湾曲状態から第２の湾曲状態への変形は、中心線、即ち、最初は平坦表面１２に接触していないＡ−Ａ又はＢ−Ｂを平坦表面１２に接触させるようにしなければならない。従って、本方法は、中心線Ａ−Ａの長さ全体を平坦表面１２の近く又は接触状態に至らせる力を弾性バイレイヤー１０に加えて、多角形バイレイヤーを図１の上段の安定湾曲状態から下段の安定湾曲状態に変形する。同様に、本方法は、中心線Ｂ−Ｂの長さ全体を平坦表面１２の近くに、又は接触状態に、至らせる力を弾性バイレイヤー１０に加えて、弾性バイレイヤー１０を図１の下段の安定湾曲状態から上段の安定湾曲状態に変形する。

図１の２つの安定湾曲状態間で多角形弾性バイレイヤー１０を変形するのに必要な力は静電的に加えられてもよい。そのような静電力によって、図２Ａ−２Ｃ、３、４、５Ａ及び５Ｂに図示されるマイクロメカニカルスイッチ２０の種々の実施例が動作する。各実施例では、バイレイヤーの各安定湾曲状態は閉スイッチ状態に対応し、同じバイレイヤーの１以上の他の安定湾曲状態は開スイッチ状態に対応する。

実施例の各々において、マイクロメカニカルスイッチ２０は基板２２、弾性バイレイヤー２４、制御電極のアレイ２８、誘電体層３０、導電ジャンパー３２、及び入出力（Ｉ／Ｏ）電線３４を含む。図２Ａ、２Ｂ及び２Ｃの異なる実施例は、導電ジャンパー３２及び／又はＩ／Ｏ電線３４については異なる構造を有する。

基板２２は微細電子製作のための堅い支持構造である。基板２２は、例えば、結晶シリコンウエハ基板、堅い誘電体基板、又は１以上の絶縁誘電体層に覆われた結晶半導体ウエハ基板等であればよい。基板２２はメカニカルスイッチ２０の他の要素がその上に配置される上表面２６を有する。上表面２６は平坦であってもよいし、ほぼ平坦、即ち、平板の状態からわずかにばらついたものであってもよい。

弾性レイヤー２４は略多角形の横形状を有し、多角形は偶数のエッジを有する。例えば、８、６又は４辺の多角形状を有していてもよいし、その横形状を完全な多角形でなくすような小辺及び／又は角の不規則性を有していても、いなくてもよい。例示の弾性バイレイヤー２４は、辺の長さが約１００μｍと約５００μｍの間の正方形又は長方形である。弾性バイレイヤー２４は２つの結合された異なる組成を有する薄い層３６、３８で形成される。下部層は導電層であり、例えば、１マイクロメートル（μｍ）から３μｍの厚さの重度にドーピングされた多結晶シリコン（ポリシリコン）である。上部層３８は無機誘電体層であり、例えば、約０.３μｍから約１.０μｍの厚さの窒化シリコン層、即ち、０.５μｍのＳｉ_３Ｎ_４である。結合された薄い層３６、３８は大きく異なる組成を有するので、これらは弾性バイレイヤー２４が平らなときに有効応力傾斜を生成することになる。例えば、窒化シリコン／ポリシリコンのバイレイヤーでは、ポリシリコン層は圧縮応力を生成し、窒化シリコン層は引張り応力を生成するので、この組合せが有効応力傾斜によって弾性バイレイヤー２４が自然に複数の安定湾曲状態の１つに座曲する（図２Ａ−２Ｃ、３及び４には不図示）。図３の略長方形又は正方形の弾性バイレイヤー２４について、２つの湾曲状態は図１に示す弾性バイレイヤー１０のものとほぼ同様の形状を有する。

弾性バイレイヤー２４はまた、図２Ａ−２Ｃ、３及び４に示すように、下部導電表面からの１以上の突起部を含む。

突起部は、バイレイヤー２４の一部分が基板２２の近くに引っ張られたときに下部導電層３６がその下層にあるアレイ２８の制御電極と電気的に短絡するのを物理的に防止するように構成された短いストッパー４２の規則的なアレイを含む。下部導電層３６がポリシリコンで形成されている場合、ストッパー４２はポリシリコン下部導電層３６からの短いポリシリコン柱であればよい。このような実施例では、ストッパー４２は電気的に絶縁された隆起部４４（例えば、図２Ａ−２Ｃ、５Ａ及び５Ｂに示すように、短いポリシリコン柱）に沿って横方向に配列されていてもよい。隆起部４４は基板２２の平坦上表面２６に固定されている。

突起部は弾性バイレイヤー２４の中央を基板２２に物理的に係止するとともに弾性バイレイヤー２４の導電下部層３６と基板２２の間を電気的に導電する経路を与える中央コネクタ４０を含む。コネクタ４０はスプリングであってもよいし、１以上の堅い柱であってもよい。コネクタ４０がスプリングである実施例では、スプリングは弾性バイレイヤー２４を基板２２へ向けて引っ張る圧縮力を与える。コネクタ４０が１以上の堅い柱である実施例では、１以上の柱はバイレイヤー２４の中央を基板２２の上に堅く固定する。代表的実施例では、コネクタ４０は、例えば、重度にｎタイプ又はｐタイプドーピングされたポリシリコンからなり、約３μｍから約５μｍの直径を有していればよい。コネクタ４０は、それが圧縮スプリングの場合はより大きな幅寸法を有することになる。コネクタ４０はまた、弾性バイレイヤー２４の重度にドーピングされたポリシリコン下部導電層３６からの突起として形成されてもよい。

制御電極のアレイ２８は平坦上表面２６上に配置され、そこに強固に固定された平面構造を形成する。アレイ２８は、図５Ａ及び５Ｂの弾性バイレイヤー２４の長方形／正方形の図形として示すように、動作グループＡ、Ｂにセグメント化され、選択的にガードグループＯ１、Ｏ２を含む。各動作グループＡ、Ｂ、Ｏ１、Ｏ２は中央コネクタ４０の対向する側に対称に配置された一対の制御電極を含む。各電極は電気的に絶縁するギャップによってその隣接のものから離隔されている。電気的に絶縁するギャップは誘電体で充填されていても、されていなくてもよい。図示する代表的実施例では、制御電極のグループＡ、Ｂ、Ｏ１、Ｏ２は重度にドーピングされたポリシリコン構造体で形成される。動作グループＡ、Ｂの制御電極は弾性バイレイヤー２４のエッジの中心領域周辺に配置され、ガードグループＯ１、Ｏ２の制御電極は弾性バイレイヤー２４のエッジの間の角近辺に配置される。

図５Ａに図示するように、代表的な正方形の弾性バイレイヤー２４について、各グループＡ、Ｂ、Ｏ１及びＯ２の両電極はともに電気的に短絡されている。そのため、各動作グループＡ、Ｂの両電極、及び各ガードグループＯ１、Ｏ２の両電極は実質的に同じ値の電位に維持される。動作グループＡの電極は、例えば、１×２スイッチ４６の一方の出力１に接続され、動作グループＢの電極は、例えば、１×２スイッチ４６の他方の出力２に接続される。１×２スイッチ４６は基板２２上又は基板２２外にあればよい。１×２スイッチ４６は、その出力１、２の一方を外部電圧源４８に切換可能に接続するように構成される。従って、電圧源４８は動作グループＡの制御電極又は動作グループＢの制御電極のいずれかに電圧を印加することができる。ガードグループＯ１、Ｏ２の制御電極は装置のグランドに電気的に接続されるので、動作グループＡ又は動作グループＢの制御電極に電圧が印加されているときでも電圧はそこに印加されない。ガードグループＯ１、Ｏ２の制御電極が接地されているので、弾性バイレイヤー２４の角には有効な静電力は通常は加えられない。その代わり、有効な静電力は弾性バイレイヤー２４のエッジの中央領域付近に、弾性導電バイレイヤー２４の対辺を通る中心線に沿って加えられる。

図５Ａに図示するように、孔が制御電極内又は制御電極間に配置されていてもよい。孔は隆起部４４を含み、これは弾性バイレイヤー２４の導電下部面のストッパー４２の縦方向に配列される。従って、ストッパー４２は、弾性バイレイヤー２４の周縁部が基板２２の近くに引き寄せられたときに隆起部４４と物理的な接触をなすことができる。隆起部４４もドーピングされたポリシリコンで形成される。図５Ａにおいて、拡大図は隆起部４４の１つを示す。拡大図は、隆起部４４がグループＡ、Ｂ、Ｏ１、Ｏ２の周辺電極からギャップによって離隔されることを示している。各隆起部４４と隣接する制御電極の間にギャップがあるために、弾性バイレイヤー２４のいくつかのストッパー４２が隆起部４４のいくつかと接触する場合であっても、メカニカルスイッチ２０の動作中に弾性バイレイヤー２４の下部導電層３６がアレイ２８の制御電極に電気的に短絡されることはない。ギャップは空洞でもよいし、例えば窒化シリコン等の誘電体で充填されていてもよい。

薄い誘電体層３０はアレイ２８の制御電極、Ｉ／Ｏ電線３４、隆起部４４、及び接続パッド５２、５４を下層にある基板２２から絶縁する。代表的実施例では、誘電体層３０は、例えば、温度酸化によって形成された高密度の酸化シリコンで形成されてもよいし、例えば、０.３μｍから１.０μｍの窒化シリコンのように、窒化シリコンで形成されてもよい。

図２Ａ−２Ｃを参照すると、導電ジャンパー３２は弾性バイレイヤー２４の上表面に強固に固定され、その１つのエッジ、例えば、上記エッジの中心点付近の上に突き出ている。代表的実施例では、導電ジャンパー３２は金属層、又は、例えば、金（Ａｕ）を含む層及びチタン（Ｔｉ）のような結合金属層等の金属複層で作製されていればよい。導電ジャンパー３２は、導電ジャンパー３２が突き出るエッジが接続パッド５２、５４へ向けて引き寄せられるのに応じて、一対の接続パッド５２、５４間が電気的短絡を形成するように、即ち、図５Ａに示すように配列される。即ち、導電ジャンパー３２は２つの電線３４を互いに電気的に短絡することによってメカニカルスイッチ２０を閉じる。導電ジャンパー３２はまた、メカニカルスイッチ２０が閉状態にあるとき、即ち、バイレイヤー２４の対辺が接続パッド５２、５４に向けて力を加えられるときに接続パッド５２、５４に接触するための一対の縦方向突起５６を含んでいてもよい。

Ｉ／Ｏ電線３４は外部電気リード（不図示）を、その電気状態（即ち、電気的に接続されるか切断されるか）がメカニカルスイッチ２０によって制御される接続パッド５２、５４に接続させるよう構成される。２つのＩ／Ｏ電線３４は金属層、例えばＡｕ／Ｔｉ等の金属複層、及び／又は重度にｎタイプ若しくはｐタイプドーピングされたポリシリコンを含んでいてもよい。

メカニカルスイッチ２０の他の実施例は、その横方向形状が種々のタイプの略多角形であるバイレイヤー２４を使用することができる。例えば、弾性バイレイヤー２４は４、６、８辺の略正多角形であればよい。他の実施例は、複数のエッジが上方に持ち上げられる複数の安定湾曲状態をバイレイヤーが有する限りは、応力が加えられる他の形状のバイレイヤー２４を用いることができる。

図２Ａ−２Ｃの実施例は導電ジャンパー３２及びＩ／Ｏ電線３４について異なる構成を有する。

図２Ａの実施例では、電気ジャンパー３２は下向きの力を閉スイッチ状態にあるＩ／Ｏ電線３４の接続パッド５２、５４に加える。弾性バイレイヤー２４の（電気ジャンパー３２が張り出す）エッジが湾曲される時に下向きの力が加えられる。本実施例では、コネクタ４０が圧縮スプリング（ＣＳ）なので下向きの力が生成される。

図６Ａ−６Ｂに、そのような圧縮スプリングＣＳについての一実施例を示す。圧縮スプリングＣＳは柱Ｐ、中央アームＣＡ、及び対称配置された側方アームＳＡを含む。中央アームＣＡは柱Ｐと各側方アームＳＡの一端の間を接続する。空間ギャップ（ＥＧ）が中央アームＣＡと側方アームＳＡの長手方向を相互に、及び弾性バイレイヤー２４から、離隔しているので、中央アームＣＡと側方アームＳＡは独立して曲がることができる。中央アームＣＡは、例えば、上部窒化シリコン層及び下部ドーピングポリシリコン層、即ち、弾性バイレイヤー２４と同じ層を含む。その形状と取付けによって、中央アームＣＡは、柱Ｐに固定されている中央アームＣＡの一端が中央アームＣＡの他端よりも低くなるようにして安定湾曲状態となる。側方アームＳＡは二層ではなく単層なので、側方アームＳＡは直線状であり、即ち湾曲していない。例えば、側方アームＳＡは弾性バイレイヤー２４の下部導電層３６と同じドーピングポリシリコンで作製されていればよい。代替的に、側方アームＳＡは弾性バイレイヤー２４の上部誘電層３８と同様に窒化シリコンで作製されていてもよい。後者の場合、側方アームＳＡは、弾性バイレイヤー２４、即ち、その導電下部層３６、導電性ドーピングポリシリコンの中央アームＣＡ及び柱Ｐの間の導電ブリッジを与える金属層で覆われていてもよい。中央アームＣＡの曲率及び側方アームＳＡの長さによって、圧縮スプリングＣＳは側方アームＳＡの遠端に基板２２の方向に力を加える。バイレイヤー２４は側方アームＳＡの遠端に固定されているので、圧縮スプリングＣＳもバイレイヤー２４の取付け中心を基板２２の方向に押す。

図２Ｂの実施例では、電気ジャンパー３２は閉スイッチ状態にあるＩ／Ｏ電線３４の接続パッド５２、５４に上方向の力を加える。各接続パッド５２、５４は対応する金属構造体３５の下側に配置される。各金属構造体は電気導電線３４の対応する一方に結合され、導電ジャンパー３２の縦方向に張り出す。図２Ｂのマイクロメカニカルスイッチを閉じている間、電気ジャンパー３２が張り出すバイレイヤー２４のエッジが湾曲されていない時に、金属構造体３５に上方向の力が加えられる。この状態において、バイレイヤー２４の他方のエッジは閉スイッチ状態に対応する安定湾曲状態にあり、基板２２の表面２６に近い。図２Ｂのマイクロメカニカルスイッチ２０を閉じている間、その安定湾曲状態の１つにおいて、電気ジャンパー３２がオーバーラップするエッジをバイレイヤー２４の湾曲状態によって上方に押すので、上方の力が生成される。

図２Ｃの実施例では、各接続パッド５２が対応のバイレイヤー構造体３７の隆起した上部に配置されるので、導電ジャンパー３２はＩ／Ｏ電線３４の接続パッド５２、５４に下向きの力を加える。２つのバイレイヤー構造体３７は、例えば、下部ポリシリコン層３６の上に上部窒化シリコン層３８等、バイレイヤー２４と同じバイレイヤー構造を有していればよい。各バイレイヤー構造体３７の自由端部は、その端部の下の犠牲層の除去に応じて製造中にアーチ形状となる。特に、その下の犠牲層が除去される時の有効応力傾斜に起因して、各バイレイヤー構造体３７の形状及び誘電体層３０に対するその形状的固定状態によって端部がアーチ形状をとる。

図５Ｂに、図２Ａ及び５Ａのものと類似のマイクロメカニカルスイッチにおけるアレイ２８の制御電極の代替実施例を示す。マイクロメカニカルスイッチの間での主な相違は、図５Ｂのスイッチでは、図２Ａ及び５Ａのマイクロメカニカルスイッチ２０とは異なり、導電コネクタ４０が誘電体層３０を貫通しないことである。その代わり、導電コネクタ４０はガードグループＯ１、Ｏ２の一方又は両方の制御電極の中央導電拡張部（Ｅ）に接続されている。導電拡張部Ｅ及び導電コネクタ４０は弾性バイレイヤー２４の下部導電層３６とガードグループＯ１、Ｏ２の制御電極の間の導電電気経路を形成する。この導電電気経路によって、弾性バイレイヤー２４の下部導電性層３６はガードグループＯ１、Ｏ２の制御電極とともに接地される。

図７は導電性下部層を有する弾性バイレイヤー（例えば、バイレイヤー２４）を含むマイクロメカニカルスイッチを動作させるための方法６０を示す。弾性バイレイヤーは２以上の安定湾曲状態を有し、略多角形の形状であればよい。安定湾曲状態の各々において、バイレイヤーの異なるエッジが湾曲される。弾性バイレイヤーはまた、導電性コネクタ、例えば、コネクタ４０によって基板に取り付けられている。例えば、方法６０によって図２Ａ−２Ｃのバイレイヤーに基づくメカニカルスイッチ２０を動作させることができる。

方法６０はバイレイヤーを第１の安定湾曲状態から別の第２の安定湾曲状態に変化させるために第１の制御力を弾性バイレイヤーに加えるステップを含む（ステップ６２）。第１の制御力は、例えば、バイレイヤーの導電層の近くに配置された帯電した制御電極によって生成される静電力であればよい。制御電極は、例えば、図５Ａ−５Ｂにおける動作グループＡ又はＢの制御電極と同様に、バイレイヤーの一対の対辺の中央部付近に配置される。第２の安定湾曲状態では、バイレイヤー上の導電ジャンパーは２つのＩ／Ｏ電気接点又は線を電気的に短絡し、それによりメカニカルスイッチを閉じる。例えば、図２Ａ−２Ｃのバイレイヤー２４の各々は、弾性バイレイヤー２４の安定湾曲状態の一方においてＩ／Ｏ電線３４を電気的に短絡する導電ジャンパー３２を有する。

方法６０は、そこへのさらなる制御力の付加なしにバイレイヤーが第２の安定湾曲状態に留まるように第１の制御力を解放するステップを含む（ステップ６４）。即ち、バイレイヤーは第２の安定湾曲状態にラッチすることになるので、閉スイッチ状態への変形後にスイッチを閉じた状態に維持するために電力は消費されない。そして、方法６０は、バイレイヤーが第２の安定湾曲状態にある間に電流をマイクロメカニカルスイッチに流すことができる。

方法６０は、バイレイヤーが第２の安定湾曲状態から他の安定湾曲状態へ変化するように第２の制御力を弾性バイレイヤーに加えるステップを含む（ステップ６６）。他の安定湾曲状態は第１の安定湾曲状態、又は第２の安定湾曲状態ではない他の安定湾曲状態とすることができる。第２の安定湾曲状態とは異なる安定湾曲状態にあるバイレイヤー上の導電ジャンパーはＩ／Ｏ導電線又は接点を電気的に短絡しないので、状態変化によってメカニカルスイッチが開く。第２の制御力は他の制御電極を帯電させることによって生成される静電力であればよい。例えば、図５Ａ又は５Ｂにおいて、第１の制御力を加えた制御電極が動作グループＡの制御電極の場合、第２の制御力を加える制御電極は動作グループＢの制御電極であればよい。第１及び第２の制御力の付加は、導電ジャンパーを有するバイレイヤーのエッジが第１及び第２の安定湾曲状態の一方で湾曲され、第１及び第２の安定湾曲状態の他方で実質的に湾曲されないような態様のものである。

ある実施例では、方法６０は、バイレイヤーが他の安定湾曲状態に留まるように、第２の制御力を解放するステップを含む（ステップ６８）。即ち、バイレイヤーが他の安定湾曲状態でラッチするので、開スイッチ状態への変形後にスイッチを開いた状態に維持するために電力は消費されない。

図８に、開スイッチ状態及び閉スイッチ状態がその弾性バイレイヤーの異なる安定湾曲状態に対応するマイクロメカニカルスイッチを製造するための方法７０を示す。方法７０の種々の実施例によって、例えば、図２Ａ−２Ｃに示すマイクロメカニカルスイッチ２０を製造できる。方法７０の種々の実施例によって、図９−１１に示す中間構造体１０８、１１４、１１６を生成することができる。

方法７０は、第１の窒化シリコン層１００を結晶シリコン基板等の基板１０２の平坦上表面に従来のプロセスを介して付着させる工程を含む（工程７２）。付着された第１の窒化シリコン層１００はＳｉ_３Ｎ_４の約０.３μｍから約１.０μｍの厚さを有していればよい。

方法７０は、第１の重度にｐタイプ又はｎタイプでドーピングされたポリシリコン層１０４を第１の窒化シリコン層１００の上に従来のプロセスを介して形成する工程を含む（工程７４）。第１のポリシリコン層１０４は約１μｍから約３μｍの厚さを有していればよい。

方法７０は、横方向に第１のポリシリコン層１０４をパターニングする、マスク制御されたドライ又はウェットエッチングを行う工程を含む（工程７６）。エッチングは、例えば、下層にある第１の窒化シリコン層１００の上で停止するように選択される。エッチングによって第１のポリシリコン層１０４を不連続な横領域に分離する。分離した横方向領域は、例えば、図５Ａ又は５Ｂに示すように、アレイ２８の制御電極、Ｉ／Ｏ電線３４、隆起部４４、及び接続パッド５２、５４を含むことになる。

ある実施例では、方法７０は、第１のポリシリコン層１０４の一部分にマスク制御金属蒸着を行う工程を含んでいてもよい。このような金属蒸着によって、例えば、図２Ａ及び２Ｂのマイクロメカニカルスイッチ２０の金属Ｉ／Ｏ電線３４及び接続パッド５２、５４を生成する。

方法７０は、従来のプロセスを実行して酸化シリコン層１０６を第１のポリシリコン層１０４及び第１の窒化シリコン層１００の露出部に付着させる工程を含む（工程７８）。酸化シリコン層１０６は他の構造体の製造の補助として使用されるが、最終的なマイクロメカニカルスイッチからは除去される犠牲層である。

方法７０は、付着された酸化シリコン層１０６の表面を平坦化して、その後の製造で使用する滑らかな上表面を生成する工程を含んでいてもよい（工程８０）。平坦化は、酸化シリコンに対する選択性を持つ化学機械平坦化（ＣＭＰ）を実行する工程を含んでいてもよい。最終的な平らな酸化シリコン層１０６は、例えば、約１μｍから約５μｍの厚さを有していればよい。

方法７０は、弾性バイレイヤーの短いストッパー（例えば、図２Ａ−２Ｃ、３及び４のストッパー４２）を形成するために、酸化シリコン層１０６への従来のマスク制御ドライエッチングを実行して孔Ｈ１を生成する工程を含む（工程８２）。エッチングは、例えば、酸化シリコン層１０６を貫通する前に停止するように時間調節される。

方法７０は、酸化シリコン層１０６への第２の従来的なマスク制御ドライエッチングを実行して、例えば、図２Ａ−２Ｃの導電コネクタ４０に対する柱等の柱のための孔Ｈ２を形成する工程を含む（工程８４）。このエッチング工程はまた、後に図２Ａの導電ジャンパーの先端を形成するために、酸化シリコン層内に孔（不図示）を形成する工程を含んでいてもよい。エッチング剤は下層にある基板１０２上で停止するように選択されればよい。他の実施例では、代替的に、例えば図５Ｂに示すようなマイクロメカニカルスイッチ２０を形成するように、エッチング工程８４が第１の窒化シリコン層１００上で停止するように構成されていてもよい。

第１及び第２のエッチング工程８２及び８４は、所望の構成の孔Ｈ１、Ｈ２のために適当なウィンドウを持つマスクを用いる。エッチング工程８２及び８４は図９に示すような中間構造１０８を生成する。

方法７０は、重度にｐタイプ又はｎタイプドーピングされた第２のポリシリコン層１１０を中間構造体１０８の酸化シリコン層１０６上に形成する工程を含む（工程８６）。形成工程８６は、ドーピングされたポリシリコンを付着させる工程、そして、従来の平坦化、例えば、ポリシリコンに対するＣＭＰ選択を実行する工程を含んでいてもよい。第２のポリシリコン層１１０は約１μｍから約３μｍの代表的な厚さを有する。形成された第２のポリシリコン層１１０の一部はまた、例えば図１１に示すように、下層にある第１のポリシリコン層１０４上に直接存在するようにしてもよい。

方法７０は、例えば図２Ａ−２Ｃ及び３−４の弾性バイレイヤー２４のような略多角形状の弾性バイレイヤーを生成するために、従来のマスク制御エッチングを実行して第２のポリシリコン層１１０をパターニングする工程を含む（工程８８）。図２Ａのメカニカルスイッチ２０を作製するために、パターニングする工程は、図６Ａに示すように第２のポリシリコン層１１２におけるギャップＥＧのセットも生成することができる。このようなギャップは図６Ａ及び６Ｂの圧縮スプリングＣＳを形成するために作製される。エッチング工程８８は、代替的に、第２のポリシリコン層１１０の第２の部分をパターニングして図２Ｃに示すバイレイヤー構造体３７の下部層３６を作製する工程を含んでいてもよい。この第２のポリシリコン層１１０の第２の部分は、部分的に酸化シリコン層１０６上に、かつ、部分的に酸化シリコン層１０６外に作製される。即ち、第２のポリシリコン層１１０の第２の部分の一部は下層にある第１のポリシリコン層１０４上に直接存在し、又は第１の窒化シリコン層１００上に直接存在する。

方法７０は第２のポリシリコン層１１０上に一致する第２窒化シリコン層１１２を付着させる工程を含む（工程９０）。第２の窒化シリコン層１１２は例示的厚さとして約０.３μｍから約１.０μｍ、０.５μｍを有し得る。

方法７０は、第２の窒化シリコン層１１２のマスク制御エッチングを実行して図１０の中間構造体１１４又は図１１の中間構造体１１６のいずれかを形成する工程を含む（工程９２）。図１０の中間構造体１１４において、第２の窒化シリコン層１１２は、第２のポリシリコン層１１０とほぼ同じ形状を有するように横方向にパターニングされて、例えば、図３及び４にあるような略多角形状の弾性バイレイヤー２４を生成している。図１１の中間構造体１１６において、横方向パターニングは図２Ａ−２Ｃ、３及び４の略多角形状弾性バイレイヤー２４並びに図２Ｃの形状のバイレイヤー構造体３７の両方を形成している。

図２Ａのマイクロメカニカルスイッチ２０を製造する実施例において、エッチング工程９２は、略多角形状の弾性バイレイヤー２４の中央部において、側方アームＳＡ及びギャップＥＧから第２の窒化シリコン層１１２を選択的に除去することもできる。これらのパターニングされた構成は第２のポリシリコン層１１０を通ってパターニングされるギャップＥＧで整列され、図６Ａの圧縮スプリングＣＳにおけるように構成されることになる。

図２Ａのメカニカルスイッチ２０を形成するために、方法７０はまた、バイレイヤー１１０、１１２の右側エッジに隣接する第２の酸化シリコン層１０６の一部分へのマスク制御エッチングを行ってそこに１以上の孔を生成する工程を含んでいてもよい。１以上の孔は、そこに導電ジャンパー３２の縦方向突起５６のその後の形成に対して適切となるようにサイズが定められる。

方法７０は、第２の窒化シリコン層１１２の１つのパターニングされたエッジに張り出す金属電気ジャンパー、例えば、図２Ａ−２Ｃの導電ジャンパー３２を形成する工程を含む（工程９６）。金属電気ジャンパーの金属は、金属の従来的なマスク制御蒸着、続いて、マスク上にある過多な金属のリフトオフによって付着されればよい。代替的に、金属電気ジャンパーの金属は従来の電気めっきプロセスによって付着されるようにしてもよい。金属電気ジャンパーのための代表的金属はＡｕ／Ｔｉを含むが、他の金属の組合せを用いてもよい。図２Ａのメカニカルスイッチ２０を製造する実施例では、接続パッド５２、５４の露出部が、例えば、この金属の導電ジャンパーの実施例２０の形成中に、薄いフォトレジスト層によって保護されるようにしてもよい。

図２Ｂのメカニカルスイッチ２０を形成するために、方法７０はまた接続パッド５２、５４に対する２つの金属構造体３５を作製する工程のシーケンスを実行する工程を含んでいてもよい（図５Ａも参照）。このシーケンスは、それまでの中間構造体上に第２の犠牲酸化シリコン層を形成する工程、及び第２の酸化シリコン層を平坦化する工程を含んでいればよい。そして、このシーケンスは、第２の酸化シリコン層を通過して導電Ｉ／Ｏ電線３４の上で止まる２つのバイア（穴）を生成するためにドライエッチングを実行する工程、及び導電Ｉ／Ｏ電線３４に接触する金属柱を生成するためにそのバイアを金属で充填する工程を含んでいてもよい。最後に、そのシーケンスは金属のマスク制御蒸着及び第２の犠牲層の上表面上の過多な金属のリフトオフを実行する工程を含んでいてもよい。この最後の工程は金属充填バイアに接触する金属構造体３５の上部水平部分を生成することになる。第２の犠牲酸化シリコン層のその後の除去によって、図２Ｂに示す接続パッド５２、５４に対する縦方向金属構造体３５が生成される。

図２Ｃのメカニカルスイッチ２０を形成するために、工程９６は導電ジャンパー３２を作製する工程のシーケンスを実行するようにしてもよい。このシーケンスは工程９４で生成された中間構造体１１６上に第２の犠牲酸化シリコン層を形成する工程、及び第２の酸化シリコン層を平坦化する工程を含んでいてもよい。このシーケンスは、第２の犠牲層を通り、バイレイヤー２４のエッジの付近の第２の窒化シリコン層１１２で止まるバイアを生成するためにドライエッチングを実行する工程、そして、バイアを充填する金属柱を生成するためにマスク制御金属めっきを実行する工程を含んでいてもよい。このシーケンスは、金属充填バイア上でそれに接触する導電ジャンパー３２の上部水平部分を生成するために、マスク制御金属めっき及び第２の犠牲層上の過多な金属のリフトオフを実行する工程を含んでいてもよい。第２の犠牲層のその後の除去によって図２Ｃに示す導電ジャンパー３２の金属実施例が生成される。

最後に、方法７０は、犠牲酸化シリコン層（単数又は複数）、例えば層１０６を除去するエッチングを実行することによって弾性バイレイヤーを物理的に解放する工程を含む（工程９８）。このエッチングはＨＦの水溶液によるウェットエッチングであればよい。

バイレイヤー２４を解放するのに加えて、犠牲酸化層の除去によって図２Ｂの金属接続構造体３５が生成され、図２Ｃに示すようにバイレイヤー構造体３７の端部が跳ね上がる。

例えば、図２Ａ−２Ｃのマイクロメカニカルスイッチ２０のようなマイクロメカニカルスイッチを製造する方法の他の実施例では、他の材料が上述の方法７０で使用した材料に代替されてもよい。例えば、これらの他の方法は、上記方法７０の特定の半導体、金属、及び／又は誘電体を、適切な代替物としてマイクロ電子技術の当業者又はマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術の当業者に周知の他の機能的に及び／又は構造的に類似の材料によって代替してもよい。

上記の開示、図面、及び特許請求の範囲から、当業者には他の実施例も明白なものとなる。

Claims (9)

1. 装置であって、
   第１及び第２の安定湾曲状態を有するバイレイヤーを含むメカニカルスイッチを含み、該バイレイヤーは、該第１の安定湾曲状態において第１の軸に沿って曲げられ、該第２の安定湾曲状態において第２の軸に沿って曲げられており、該第２の軸は該第１の軸と非平行であり、
   該バイレイヤーの該第１の安定湾曲状態から該第２の安定湾曲状態への変化によって該スイッチが閉じ、
   該バイレイヤーを前記第１の安定湾曲状態に変形することが可能な制御力が無い場合であっても、前記バイレイヤーは前記第１の安定湾曲状態のままであることができ、且つ、前記バイレイヤーを前記第２の安定湾曲状態に変形することが可能な制御力が無い場合であっても、前記バイレイヤーは前記第２の安定湾曲状態のままであることができる、装置。
2. 請求項１の装置において、該バイレイヤーが偶数の辺を持つ略多角形状を有する、装置。
3. 請求項２の装置において、該多角形が４又は６個の辺を有し、該辺が５００マイクロメートルよりも短い、装置。
4. 請求項１の装置において、
   該バイレイヤーが、電圧が該バイレイヤーと第１の電極間に印加されることに応じて該第１の安定湾曲状態に変化するように構成され、
   該バイレイヤーが、電圧が該バイレイヤーと第２の電極間に印加されることに応じて該第２の安定湾曲状態に変化するように構成された、装置。
5. 請求項１の装置であって、さらに、
   第１の表面を有する基板と、
   該第１の表面に沿って配置され、該基板に固定された複数の電極とを含み、
   該バイレイヤーが、コネクタによって該基板に物理的に取り付けられ、該バイレイヤーが、該第１の安定湾曲状態と第２の安定湾曲状態において湾曲する異なるエッジを有する、装置。
6. 請求項１の装置であって、さらに、
   該バイレイヤー上に配置された電気ジャンパーと、
   基板に固定された第１及び第２の電線とを含み、
   該電気ジャンパーが、該バイレイヤーが該第１の安定湾曲状態にあることに応じて該第１及び第２の電線に電気的に接続し、該バイレイヤーが該第２の安定湾曲状態にあることに応じて該第１及び第２の電線を電気的に接続しないように構成されている、装置。
7. 請求項１の装置であって、さらに、
   該バイレイヤー上に配置された電気ジャンパーを含み、
   該電気ジャンパーが、該バイレイヤーが該第１の安定湾曲状態にあることに応じて該第１及び第２の電線に電気的に接続し、該バイレイヤーが該第２の安定湾曲状態にあることに応じて該第１及び第２の電線を電気的に接続しないように構成されている、装置。
8. 請求項１の装置であって、さらに、
   複数の電極と、
   該複数の電極を支持する基板とを含み、
   該複数の電極の一対は、該バイレイヤーのエッジの第１の対の一部を該基板に向けて引き寄せるように構成され、該複数の電極の別の対は、該該バイレイヤーのエッジの第２の対の一部を該基板に向けて引き寄せるように構成されている、装置。
9. 請求項１の装置であって、該制御力が静電気力を含む、装置。

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