JP5829804B2 - スイッチ構造体 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、一般に電流を切り替えるための装置に関し、より詳細にはミクロ電気機械式スイッチ構造体に関する。

ブレーカー（回路遮断器）は回路の不良により生ずる損傷から電気設備を保護するように設計された電気装置である。伝統的に、多くの従来のブレーカーは嵩高い（マクロ）電気機械式スイッチを含んでいる。残念なことに、これら従来のブレーカーはサイズが大きく、そのスイッチ機構を起動するには大きい力を使用する必要があり得る。加えて、これらのブレーカーのスイッチは一般に比較的遅い速度で作動する。さらにまた、これらのブレーカーは構築するのが複雑であり、従って製作するのが高価である可能性がある。加えて、従来のブレーカーのスイッチ機構の接点が物理的に分離されているとき、それら接点間にアークが形成され得、このアークにより、回路内の電流がなくなるまでその電流がスイッチを通って流れ続けることが可能になる。さらに、このアークに伴うエネルギーが接点をひどく損傷したり、及び／又は個人に火傷の危険を呈したりし得る。

遅い電気機械式スイッチの代替として、比較的速い固相スイッチが高速スイッチ用途で使用されている。これらの固相スイッチは、電圧またはバイアスを制御してかけることによって導電状態と非導電状態とを切り替える。しかしながら、固相スイッチは、非導電状態に切り替えられたときに接点間に物理的な間隙を生じないので、名目上非導電性のときに漏れ電流が生じる。さらにまた、導電状態で作動する固相スイッチは内部抵抗のために電圧降下を生じる。電圧降下と漏れ電流はいずれも正常な作動状況下で電力損失及び過剰な熱の生成の一因となり、これはスイッチの性能及び寿命にとって有害であり得る。また、少なくとも部分的には固相スイッチに伴う固有の漏れ電流のために、ブレーカー用途にこれら固相スイッチを使用するのは不可能である。

スイッチ装置に基づくミクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、幾つかの電流スイッチ用途について上記したマクロ電気機械式スイッチ及び固相スイッチの有用な代替を提供することができる。ＭＥＭＳ系スイッチは、電流を通すようにセットされたときには低い抵抗を有し、そこを通る電流を遮断するようにセットされたときには低い（又はゼロの）漏れを示す傾向がある。さらに、ＭＥＭＳ系スイッチはマクロ電気機械式スイッチより速い応答時間を示すことが期待される。

米国特許第７１２６２２０号

１つの局面において、スイッチ構造体のような装置が提供される。このスイッチ構造体はそれぞれ基板上に配置された接点と導電性要素を含んでいることができる。この導電性要素は実質的に金属性の材料からなることができ、導電性要素がある分離間隔だけ接点から離れている第１の位置と、導電性要素が接点と接触し（場合によっては、電気的連通を確立し）機械的エネルギー（例えば、導電性要素が外力の不在下で実質的に第１の位置をとるのに充分な機械的エネルギー）を蓄積する第２の位置との間で変形可能であるように構成することができる。導電性要素としては、例えば、カンチレバー、固定−固定梁(fixed-fixed beam)、ねじれ素子、及び／又は隔膜を挙げることができる。このスイッチ構造体は、基板上に配置された電極であって、導電性要素を第２の位置の方に押しやるように設定された静電気力を生じるように充電されるように構成された電極を含んでいてもよい。

導電性要素はさらに、ほぼ室温〜金属性材料の融解温度のほぼ半分の温度において少なくとも１０⁷秒の累積時間で第２の位置に変形された後、外力の不在下での分離間隔が累積時間にわたって２０パーセント未満だけ変化するように構成することができる。導電性要素は、基板から伸びるアンカーとこのアンカーに連結された端部を有する梁とを、片持ちになるように含んでいることができる。この梁とアンカーはその間にある角度を定めることができ、導電性要素は、ほぼ室温〜金属性材料の融解温度のほぼ半分の温度において少なくとも１０⁷秒の累積時間で第２の位置に変形された後、外力の不在下でその角度が０．１パーセント未満だけ変化するように構成することができる。加えて、又は代わりに、導電性要素は、この導電性要素がほぼ室温〜金属性材料の融解温度のほぼ半分の温度で第２の位置に変形されたとき、アンカー内の最大の非局在化定常状態歪み速度が約１０^-12ｓ^-1未満にとどまるように構成することができる。場合によって、導電性要素は、導電性要素の第２の位置への初期変形がアンカー内に第１の弾性歪みを誘発し、かつ、ほぼ室温〜金属性材料の融解温度のほぼ半分の温度において少なくとも１０⁷秒の累積時間で第２の位置に変形された後、アンカーが第１の弾性歪みのほぼ半分より少ない最大の非局所的全塑性歪みを受けるように構成することができる。

幾つかの実施形態において、金属性材料は少なくとも６５原子パーセントのニッケルと少なくとも１原子パーセントのタングステンの合金を含むことができ、導電性要素は、導電性要素が第１と第２の位置の間で変形したときアンカー内の応力が１０００ＭＰａ未満であるように構成することができる。他の実施形態において、金属性材料は少なくとも８０原子パーセントの金を含むことができ、導電性要素は、導電性要素が第１と第２の位置の間で変形したときにアンカー内の応力が２０ＭＰａ未満であるように構成することができる。

幾つかの実施形態において、梁は、梁の厚さの約２００倍未満大きく、また分離間隔の約１０００倍未満である長さを有することができる。さらに、接点は、片持ち梁の自由端の２０パーセント以内である重なり長さにより画定される領域にわたって導電性要素に対向するように配置することができる。接点と導電性要素はミクロ電気機械装置又はナノ電気機械装置の一部であってもよく、導電性要素は１０³ｍ^-1以上の表面積対体積比を有し得る。

接点と導電性要素はそれぞれ、回路の異なる電位にある第１と第２の側に接続することができる。導電性要素の第１及び第２の位置の間の変形はそれぞれ、電流を通過させ、及び遮断するように作用し得る。第１の側は、約１ｋＨｚ以下の周波数で振動する少なくとも１ｍＡの電流を供給するように設定された電源を含んでいることができる。

別の局面において、基板を準備し、基板上に接点を形成し、実質的に金属性材料の（例えば、１０³ｍ^-1以上の表面積対体積比を有する）導電性要素を基板上に形成することを含む方法が提供される。導電性要素は、基板から伸延するアンカーと、片持ちになるようにアンカーに連結された端部を有する梁とを含むように形成することができ、アンカーと梁はその間にある角度を定める。導電性要素は、ほぼ室温〜金属性材料の融解温度のほぼ半分の温度において、導電性要素が接点からある分離間隔だけ離れている第１の位置と、導電性要素が接点と接触し、エネルギーを蓄積する第２の位置との間で変形することができ、この際導電性要素は少なくとも１０⁷秒の累積時間の間第２の位置を占める。導電性要素が変形した後、導電性要素が第１の位置に戻るように導電性要素から外力を除去することができ、この際角度は０．１パーセント未満変化する。幾つかの実施形態において、電極を基板上に形成することができ、この電極は導電性要素を第２の位置の方に押しやるように設定された静電気力を確立するように構成される。また、接点と導電性要素は基板と保護キャップとの間に封入することもできる。

接点と導電性要素はそれぞれ回路の対向する側に接続することができ、これらの対向する側はこれら対向する側が切断されたとき異なる電位にある。導電性要素は、第１及び第２の位置でそれぞれ電流を通過させ、及び遮断するように選択的に変形することができる。請求項２３の方法では、前記導電性要素を第１及び第２の位置の間で選択的に変形して、それぞれ電流を（例えば、少なくとも約１ｍＡの振幅と約１ｋＨｚ以下の振動周波数で）通過させ遮断する。

本発明の上記及び他の特徴、局面、及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことでより一層理解されるであろう。図面全体を通して類似の符号は類似の部分を表す。

図１は、一例の実施形態に従って構成されたスイッチ構造体の概略透視図である。 図２は、図１のスイッチ構造体の概略側面図である。 図３は、図１のスイッチ構造体の概略断片透視図である。 図４は、開放位置にある図１のスイッチ構造体の概略側面図である。 図５は、閉鎖位置にある図１のスイッチ構造体の概略側面図である。 図６Ａ−Ｃは、図１のスイッチ構造体の側面図であり、接触位置と非接触位置との間の梁の動きを示している。 図７は、別の一例の実施形態に従って構成されたスイッチ構造体の概略側面図である。 図８は、図７のスイッチ構造体の概略側面図である。 図９は、図７のスイッチ構造体の概略断片透視図である。 図１０Ａ−Ｅは、一例の実施形態に従って構成されたスイッチ構造体を製作するプロセスを示す概略側面図である。 図１１は、もう１つ別の一例の実施形態に従って構成されたスイッチ構造体の概略透視図である。 図１２は、図１１のスイッチ構造体の概略側面図である。 図１３は、図１１のスイッチ構造体の概略断片透視図である。 図１４は、さらに別の一例の実施形態に従って構成されたスイッチ構造体の概略透視図である。 図１５は、図１４のスイッチ構造体の概略側面図である。 図１６は、図１４のスイッチ構造体の概略断片透視図である。 図１７は、さらにもう１つ別の一例の実施形態に従って構成されたスイッチ構造体の概略透視図である。 図１８は、さらに別の一例の実施形態に従って構成されたスイッチ構造体の概略側面図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の一例の実施形態を詳細に説明する。図面全体を通して同じ参照番号は同じ部分・部品を表す。これらの実施形態の幾つかは上記及びその他のニーズに対処し得る。

図１−３を参照すると、一例の実施形態に従って構成されたスイッチ構造体１００の幾つかの概略図が示されている。スイッチ構造体１００は接点１０２を含むことができ、これは例えば少なくとも一部が導電性材料（例えば、金属）から形成されたパッドであり得る。スイッチ構造体１００はまた、実質的に導電性材料（例えば、金属）から形成された片持ち梁１０４のような導電性要素も含むことができる。幾つかの実施形態において、この導電性要素はまた、梁１０４及び／又は接点パッド上に、例えば接点１０２と接触させる目的の梁の一部分を覆って配置された、例えば保護性の（恐らくは非導電性の）コーティングのような他の特徴も含み得る（以下でさらに述べる）。梁１０４はアンカー１０６とベース１０７によって支持することができ、これらアンカー１０６とベース１０７は梁と一体化してもよく、この梁を下にある基板１０８のような支持構造体に接続するように機能し得る。接点１０２も基板１０８によって支持し得る。

接点１０２と梁１０４を基板１０８上に配置すると、従来の微細加工技術（例えば、電気メッキ、蒸着、フォトリソグラフィー、湿式及び／又は乾式エッチング、など）によるスイッチ構造体１００の生産が容易になり得る。この線に沿って、スイッチ構造体１００はミクロ電気機械若しくはナノ電気機械装置又はミクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）の一部分を構成してもよい。例えば、接点１０２及び梁１０４は数又は数十マイクロメートル及び／又はナノメートル程度の寸法を有し得る。１つの実施形態において梁１０４は１０⁸ｍ^-1以上の表面積対体積比を有し得るが、別の実施形態においてこの比は１０³ｍ^-1に近くてもよい。スイッチ構造体１００を製作する可能な方法に関する詳細については以下でさらに述べる。

基板１０８はまた、電気的接続を提供するように機能する、例えば金属−酸化物−半導体電界効果トランジスター（ＭＯＳＦＥＴ）及びパターン化された導電性層（図示してない）のような従来の半導体装置及び／又は構成部品を含んでいるか又は支持していてもよい。かかるパターン化された導電性層はまた接点１０２及び梁１０４への電気的接続も提供し得（後者への接続は、例えば、アンカー１０６及びベース１０７を介する）、これらの接続は図１及び２に概略的に示されており、以下に記載する。スイッチ構造体１００の特徴のような半導体装置及び導電性層は従来の微細加工技術を用いて製作することができる。１つの実施形態において、基板１０８は半導体ウエハーであり得、このウエハーはその表面上に形成されたスイッチ構造体１００及びその他の回路と共に１以上のＭＯＳＦＥＴを含むように加工処理されている。スイッチ構造体１００は、ＭＯＳＦＥＴの１つの上に配置することができ（例えば、ウエハーの表面に垂直な線がＭＯＳＦＥＴとスイッチ構造体の両方を横切ることになる）、ＭＯＳＦＥＴと共に作動可能であり得る（以下でさらに述べる）。他の実施形態において、基板１０８は、例えば、ダイヤモンド、サファイア、石英、ポリイミド、絶縁金属基板、などを始めとする半導体ウエハー以外の材料から形成され得る。

図１−５を参照して、梁１０４は、梁が接点１０２から分離間隔ｄだけ離れている第１の非接触すなわち「開放」位置（例えば、図４）と、梁が接点と接触して電気的連通を確立する第２の接触すなわち「閉鎖」位置（例えば、図５）との間で選択的に可動であるように構成することができる。例えば、梁１０４は、この梁が非接触位置では自然に（すなわち、外部から加えられる力の不在下で）配置され、機械的エネルギーをその内部に蓄積しつつ接触位置を占めるために変形し得るように、接触位置と非接触位置との間で動くときに変形を受けるように構成することができる。他の実施形態においては、梁１０４の未変形の状態が接触位置であってもよい。

スイッチ構造体１００はまた電極１１０も含み得る。電極と梁１０４との間に電位差が存在するように適切な電圧が電極１１０にかかると、静電気力が梁を電極の方に（また、接点１０２の方に）引っ張るように作用する。電極１１０にかかる電圧を適切に選ぶことにより、梁１０４は生じた静電気力によって、梁を非接触（すなわち、開放又は非導電）位置から接触（すなわち、閉鎖又は導電）位置へ動かすように充分に変形することができる。従って、電極１１０はスイッチ構造体１００に対して「ゲート」として作用し得、電極にかかる電圧（「ゲート電圧」という）はスイッチ構造体の開閉を制御するように機能する。電極１１０はゲート電圧源１１２と連通し得、このゲート電圧源は選択的なゲート電圧Ｖ_Gを電極にかけることができる。

接点１０２と梁１０４は回路１１４の部分として作用し得る。例えば、回路１１４はお互いに切り離されたとき（一方の側のみが電源１２０に接続される場合のように）互いに異なる電位にある第１の側１１６と第２の側１１８を有することができる。接点１０２と梁１０４はそれぞれ回路１１４の一方の側１１６、１１８に接続することができ、その結果梁の第１と第２の位置の間の変形がそれぞれ梁を通る電流を通し、また遮断するように作用する。梁１０４はスイッチ構造体１００を利用する用途によって決められる周波数（均一又は不均一）で接点１０２と接触したりしなかったりするように繰り返し動くことができる。接点１０２と梁１０４が互いに離れているときには、接点と梁との間に電位差、及び電圧差が存在するであろう。この電圧の差は「スタンドオフ電圧」といわれる。

１つの実施形態において、梁１０４は（例えば、アンカー１０６及びベース１０７を介して）電源１２０と連通し得、接点１０２は例えば負荷抵抗Ｒ_Lとして示される電気的負荷１２２と連通し得る。電源１２０は異なる時間に電圧源及び電流源として作動し得る。従って、梁１０４は電気的スイッチとして作用し得、梁が接触位置にあるときには負荷電流（例えば、約１ｍＡ以上の振幅及び約１ｋＨｚ以下の振動周波数）が電源１２０から梁及び接点１０２を通って電気的負荷１２２に流れることを可能にし、そうでない場合梁が非接触位置にあるときには電気的経路を遮断し、電源から負荷への電流の流れを阻止する。上に示した電流及びスイッチの周波数は比較的高めの電力遮断用途で利用され得るであろう。スイッチ構造体１００が信号を送信する状況で利用される場合（比較的低めの電力で作動することが多い）のような他の実施形態において、電源１２０は１ｋＨｚより大きい振動周波数で１００ｍＡ以下（１ｍＡ程度まで下がる）の大きさを有する電流を提供し得る。

上記スイッチ構造体１００は、設計が同様であろうと異なっていようと他のスイッチ構造体を含む回路の部品として、回路全体の電流及び電圧容量を増大するために利用することができるであろう。例えば、スイッチ構造体を直列及び並列の両方で配列して、スイッチ構造体が開放されているときのスタンドオフ電圧の所望の遮断（例えば、スイッチ構造体間の電圧の比較的均等な遮断）及びスイッチ構造体が閉鎖されているときの電流の所望の遮断（例えば、スイッチ構造体間の電流の比較的均等な遮断）を容易にすることができるであろう。

スイッチ構造体１００の作動中、梁１０４は、第１と第２の位置の間（すなわち、接点１０２との接触と遮断）に梁を変形させる、上述の電極１１０により確立される静電気力のような外部からかけられた力を受け得る。室温以上だが、梁を実質的に形成している材料の融解温度の５０パーセント未満までであることが多く、又は３０パーセントまでの周囲温度（使用温度）で、これらの力がかけられ得、スイッチ構造体１００が作動し得る。さらに、スイッチ構造体１００が数年程度の有用な寿命を保有することが期待される用途（例えば、比較的高めの電力遮断用途）の場合、梁１０４は少なくとも１０⁴秒、場合によっては１０⁶秒より長く又はさらには１０⁸秒より長い累積時間の間接点１０２と接触している可能性がある。さらに、接点１０２と接触するように変形したとき、梁１０４は比較的高い応力を受け得、この応力の大きさはスイッチ構造体１００の幾何学的形状及び梁を実質的に形成している材料に依存する。

上記の一例として、スイッチ構造体１００は、約１００ｍｍの長さＬ、約２５〜１のアスペクト比（長さＬ対厚さｔ）、及び約１−３ｍｍの接点１０２からの分離間隔ｄを有するニッケル（Ｎｉ）−１２原子パーセントタングステン（Ｗ）の片持ち梁１０４を含むことができ、ここで接点は梁の自由端に対向して位置しており、距離Ｌ_oだけ梁と重なっている。かかる幾何学的形状の場合、１００ＭＰａより大きく、６００ＭＰａ以上もの応力が、梁が接点１０２と接触するように変形しているとき梁１０４及び／又はアンカー１０６の実質的な部分に存在し得る。既に述べたように、幾つかの用途において、梁１０４及び／又はアンカー１０６は使用条件下で１０⁴秒以上、さらには１０⁸秒もの長い可能性がある時間の間支障なくこの応力に耐える必要があり得る。これらの応力は、幾何学的な凹凸、表面隆起、及び欠陥の周辺のような応力集中領域に存在し得る極めて局在化されており多くの場合一時的な応力とは別であると予想される。

片持ち梁（又は他の変形可能な接触構造体）及び関連する接点を含む（スイッチ構造体１００のような）スイッチ構造体の適正な作動の場合、梁は、この梁を接点と接触せしめる外力の存在又は不在（例えば、電極１１０に関連するゲート電圧及び対応する静電気力の存在又は不在）によって特定される接触位置又は非接触位置をとることが意図されていることが多い。しかしながら、多くの研究者が、金属性のマイクロメートル規模の片持ち梁（又は他の変形可能な接触構造体）を含むスイッチ構造体がうまく機能しない傾向があり、そのためスイッチ構造体の挙動が意図した通りでないことを観察している。これらの機能不良は一般に表面接着に関連した問題に帰因している。具体的には、マイクロメートル規模の梁（又は他の変形可能な接触構造体）に存在する大きい表面積対体積比を考えると、梁が関連する接点パッドと接触する自由な表面の削除に関連するエネルギー低下が、変形中梁に蓄積される機械的エネルギーと比べて些細でないか又は高い可能性がある。従って、理論上、梁の内部歪みエネルギーがこの梁の接点からの分離を誘発するには不充分であるため、他の場合には片持ち梁及び関連する接点を接触させる外力の除去後片持ち梁及び関連する接点が接着したままでとどまる。

有力な理論と対照的に、本出願人は、金属性の小さい規模の片持ち梁を含むスイッチ構造体の支障が、多くの場合、梁と関連する接点との接着に起因するのではなく、主として梁の未変形の構造の変化に起因することを観察した。すなわち、梁を関連する接点と接触させる外力がかけられたとき、梁は「クリープ」ともいわれる時間依存性の塑性変形を受ける。

梁が時間依存性の塑性変形を受けるにつれて、梁の未変形の構造（すなわち、外部の負荷の不在下で梁がとる形状）は、非接触位置に配置された梁の構造から、梁が接触位置に配置された配置の方に動く。同様に、接触位置にあるときの梁に最初に付随していた機械的歪みエネルギーは低下し、場合によってはほぼゼロになる。結局、スイッチ構造体は梁と関連する接点との間の接着のために支障を来し得るが、この支障機構は二次的であり得、接触位置にある梁に関連する機械的歪みエネルギーの低下に起因し得る。このスイッチ構造体に関連する梁の時間依存性の塑性変形は、これらの装置が梁を形成している金属性材料の融解温度の５０パーセント又はさらには３０パーセントより低い周囲温度（又は、梁が多数の別個の金属性材料から形成されている場合は、梁の実質的な部分を構成する金属の１つに関連する最低融解温度の５０パーセント又はさらには３０パーセントより低い温度）で作動することが多いという点で驚くべきことである。

本出願人の発見により、梁１０４は、梁の実質的な部分を構成する金属の１つに関連する最低融解温度の５０パーセント又はさらには３０パーセント下の温度を含む使用条件下で、梁を実質的に形成している金属性材料の時間依存性の塑性変形に起因する梁の永久変形を制限するように構成され得る。梁１０４は、梁の機械的挙動が構成成分の金属性材料の機械的挙動により一般に又は有意に決定されるとき金属性材料から「実質的に形成される」と考えることができるという点に留意されたい。スイッチ構造体１００の作動中、梁１０４は時には梁が接点１０２から分離間隔ｄだけ離れている第１の（非接触）位置に配置されることができる。別の時には、梁１０４は、梁が接点１０２と接触している第２の（接触）位置に配置されることができる。梁１０４は、少なくとも１０⁷秒の累積時間、室温〜金属性材料の融解温度（又は、金属性材料が多数の別個の金属性材料を含む場合、梁を実質的に形成している金属性材料の１つの融解温度）のほぼ半分の温度で第２の（閉鎖）位置に変形され得る。梁１０４は、かかる変形の後、外力の不在下で梁１０４と接点１０２との間の分離間隔が、累積時間にわたって２０パーセント未満だけ変化するように幾何学的に構成され得る（すなわち、累積時間にわたる任意の時間にとったｄの測定値が互いの２０パーセント以内である結果を生じる）。

例えば、図６Ａ−Ｃを参照して、時間ｔ₀＜０で、梁１０４は、梁が接点１０２から分離間隔ｄ＝ｄ₀だけ離れている第１の（非接触）位置に配置することができる。次に、梁が接点１０２と接触するように梁を第２の（接触）位置に変形するために時間ｔ₁＝０で力Ｆを梁１０４にかけることができる。その後、時間ｔ₂＝１０⁷秒まで梁１０４を第２の位置に維持することができ、この時点で力Ｆを除くことができる。力Ｆが除かれると、梁１０４は接点１０２から分離間隔ｄ＝ｄ₁だけ離れている第１の位置に戻ることができる。

梁１０４が受けた応力がその梁を実質的に形成している金属性材料の塑性変形を起こすのに必要な応力より少ない場合、及び梁が時間依存性の塑性変形の影響を全く受けない場合、ｄ₀＝ｄ₁である。同様に、梁１０４を第２の位置に維持するのに必要とされる力Ｆの大きさ、及び第２の位置に配置されているとき梁内に蓄積される機械的エネルギーの量は一定でとどまると期待される。しかしながら、本出願人は、時間依存性の塑性変形に起因して、ｄ₁がｄ₀未満であることが多いことを見出した。それでも、梁１０４は、接点１０２と梁との間の分離間隔ｄが、スイッチ構造体１００が適正に機能するのを可能にするのに充分であることを確実にするように構成することができる。

例えば、梁１０４はｄ₀≧ｄ₁≧０．８ｄ₀を確実にするように構成することができる。加えて、又は代わりに、梁１０４は、梁が外力の不在下で第１の位置（例えば、２０パーセント以内）を実質的にとるようにさせるのに充分なエネルギーを変形中に蓄積するように構成することができる。さらに、梁１０４とアンカー１０７はその間に角度θを定め得、梁１０４は、梁が第１と第２の位置との間で変形する結果として、この角度θが梁に作用する外力の不在下で０．５パーセント未満、場合によっては０．１パーセント未満だけ変化するように構成することができる。

本出願人はさらに、例えば図１に示したような片持ち梁を含むスイッチ構造体の場合、梁（又は梁が他のやり方で片持ちにされる構造体）のアンカー内の時間依存性の塑性変形が、梁全体の構造の永久的変化の重大な原因であることができるということを発見した。従って、梁１０４は、梁が第２の位置に変形されたとき、アンカー内の最大の非局在化された定常状態歪み速度が約１０^-12ｓ^-1未満にとどまるように構成することができる。代わりに、又は加えて、梁１０４は、アンカー１０６が受ける全塑性歪みが、（梁内のあらゆる有効なクリープの前に）梁の接触位置への初期変形の際にアンカー内に誘発された弾性歪みの数パーセント未満にとどまるように構成することができる。例えば、梁１０４の第２の位置への初期変形がアンカー１０６内に第１の弾性歪みを誘発し、その後梁を少なくとも１０⁷秒の累積時間の間第２の位置に変形する場合、梁はアンカーが第１の弾性歪みのほぼ半分より少ない最大の非局所的全塑性歪みを受けるように構成することができる。

梁１０４は、梁の変形中アンカー１０６内に生じる応力を、超えると過度の塑性変形が生じる閾値より低く制限するように設計することができる。この閾値応力は、梁１０４を変形するときの温度、ある用途で許容することができる梁の形状変化の量、及び梁を実質的に形成する材料（材料の組成とミクロ構造の両方を含む）の１以上に依存する。

例えば、本出願人は、スイッチ構造体１００が梁１０４を実質的に形成している材料の融解温度のほぼ半分未満の温度で作動する用途の場合、アンカーの非局在化された（すなわち、高度に局在化した応力集中領域から離れた）部分における応力が、構成成分の金属性材料として少なくとも６５原子パーセントのニッケルと少なくとも１原子パーセントのタングステンの合金を含む梁で１０００ＭＰａ未満であるとき、許容可能な性能（例えば、梁と接点との分離間隔の変化が、１０⁷秒又はさらには１０⁸秒までの変形累積時間にわたって２０パーセント未満）を達成することができるということを見出した。もう１つ別の例として、本出願人は、アンカーの非局在化された（すなわち、高度に局在化された応力集中領域から離れた）部分における応力が、構成成分の金属性材料として８０原子パーセントの金と２０原子パーセントのニッケルを含む梁で４５及び２０ＭＰａ未満であるとき、それぞれ１及び２０年のタイムスパンにわたって許容可能な性能を達成することができるということを見出した。本出願人はまた、純粋な金で形成された梁の場合、アンカーの非局在化された部分における応力が２５ＭＰａ未満であるときに、１年のタイムスパンにわたって許容可能な性能を達成することができるということも見出した。

全体として、梁１０４はアンカー１０６内の応力及び／又は塑性歪みを制限するように設計することができる。例えば、図７−９を参照して、スイッチ構造体２００は、接点２０２と実質的に導電性材料（例えば、金属）から形成された片持ち梁２０４のような導電性要素とを含んでいることができる。梁２０４はアンカー２０６とベース２０７により支持することができ、これらアンカー２０６とベース２０７は梁と一体化され得、梁を下にある基板２０８のような支持構造体に接続するように機能し得る。接点２０２もまた基板２０８により支持され得る。スイッチ構造体２００はまた梁２０４を作動させるように構成された電極２１０も含み得る。

様々な物理的及び／又は設計パラメーターがアンカー２０６内の応力に影響を及ぼし得る。スイッチ構造体２００は、例えば梁の長さＬ_B、梁の幅ｗ_B、梁の厚さｔ_B、接点の長さＬ_C、接点の幅ｗ_C、接点の厚さｔ_C、梁−接点の分離間隔（外力の不在下）ｄ_BC、梁−電極の重なり長さＬ_E（梁２０４の端部２０５から測定する）、電極の幅ｗ_E、梁−電極の分離間隔（外力の不在下）ｄ_BE、梁の材料（及び対応する材料の性質）、及び梁と電極２１０との間の最大電圧差Ｖ_maxによって特徴付けられ得る。（梁２０４の材料及び予想される作動温度の選択と併せて）これらのパラメーターの値を適切に選択することによって、本出願人は、アンカー２０６の領域における応力が、１年以上又はさらには２０年のスイッチ構造体２００の作動寿命を可能にするのに充分に低いスイッチ構造体を製造することができるということを見出した。

幾つかの実施形態において、梁２０４の厚さｔ_Bは少なくとも１ｍｍであることができる。約１ｍｍ以上の厚さｔ_Bはその後の高温における加工処理のために梁のその後の変形を制限し得る。梁２０４の長さＬ_Bは少なくとも約２０ｍｍであることができる。接点２０２は、梁の自由端２０５の２０パーセント以内である重なり長さＬ_oによって定められる領域にわたって梁２０４に対向するように配置することができる。電極２１０は梁２０４の自由端２０５の５０パーセント以内、幾つかの実施形態においては自由端の２０−３０パーセント以内に配置し得る。

梁２０４は、厚さｔ_Bより約２００倍未満大きく、また梁と関連する接点２０２との分離間隔ｄ_BCの約１０００倍未満である長さＬ_Bを有することができる。梁２０４がより大きいアスペクト比を有し、及び／又はより小さい間隔だけ接点２０２から離れている場合、接触位置に変形したとき梁内に誘発される応力は比較的低い可能性がある。しかしながら、梁２０４の長さが増大するにつれて、所与の領域に配置することができる梁の数は減少する。さらに、分離間隔ｄ_BCが低下するにつれて、クリープに関連する変形以外の支障機構が重要になり得る。例えば、梁２０４と接点２０２が互いに近付くにつれて、所与の電圧差でそれらの間の引力が増大し、この引力が意図せずに（例えば、電極２１０における電圧の不在下でさえ）梁に接触位置をとらせるのに十分なほどに大きくなる可能性がある。また、梁２０４と接点２０２の間の領域が、例えば電解放出のために電気的故障をより起こし易くなり得る。

使用中著しいクリープを回避するように梁１０４、２０４を構成することにより、梁と接点１０２、２０２との間の分離間隔ｄ_BCを、１年以下、場合によっては２０年以上（幾つかの用途に対する要件）の使用の間、殆ど一定に、例えばその初期値の２０パーセント以内に維持することができる。言い換えると、かけられた力により梁１０４、２０４が非接触位置（梁が接点１０２、２０２から間隔ｄ_BCだけ離れている）から接触位置の方へ押しやられ、次いでそのかけられた力が除去される各々の場合に、梁は、この梁が接点から間隔ｄ_BCだけ離れるように非接触位置に実質的に戻る（ｄ_BCの値は２０パーセント未満だけ変化する ）。

本出願人は、（梁２０４の材料と予想される作動温度の選択と併せて）スイッチ構造体２００の様々な設計パラメーターの値を適切に選択することにより、アンカー２０６の領域における応力が、１年又はさらには２０年以上のスイッチ構造体２００の作動寿命（例えば、梁２０４と接点２０２との間の分離間隔の変化が２０パーセントより少ない）を可能にするほど充分に低いスイッチ構造体を製造することができるということを見出した。下記表に、本出願人が許容可能な性能を観察しているパラメーター値、作動温度、及び梁の材料幾つかの組合せを挙げる。

実質的に金属性材料から形成される上記スイッチ構造体１００の生産に関連するプロセス温度は中程度であり、通常４５０℃未満である。これは、ケイ素から導体を形成するのに必要とされる、従来のドーピング手順を使用したときには通常９００℃より高い温度と対照的である。このスイッチ構造体１００に関連する低めの処理温度は、例えばＭＯＳＦＥＴのような温度感受性の構成部品とこのスイッチ構造体との一体化を容易にし得る。

上に述べたように、図１のスイッチ構造体１００のような上記スイッチ構造体は、従来の微細加工技術を用いて基板上に製作することができる。例えば、図１０Ａ−Ｅを参照すると、一例の実施形態に従って構成されたスイッチ構造体を製造するための製作方法の概略表示が示されている。最初に、基板３０８の上に電極３１０と接点３０２を配置することができる。次に、例えば蒸着により、二酸化ケイ素３３０を付着させ、電極３１０と接点３０２を封入するようにパターン化することができる（図１０Ａ）。次いで、薄い接着層３３２（例えば、チタン）、シード層３３４（例えば、金）、及び金属層３３６（例えば、Ｎｉ−４原子パーセントＷ）を電気メッキによって付着させることができる（図１０Ｂ）。次に、従来のフォトリソグラフィーを用いてフォトレジスト３３８を設け、パターン化することができ（図１０Ｃ）、その後金属、シード、及び接着層３３６、３３４、３３２をエッチングして梁３０４を形成することができ、続いてフォトレジストを除去する（図１０Ｄ）。最後に、梁３０４を支持し電極３１０と接点３０２を封入する二酸化ケイ素３３０を除去することができる（図１０Ｅ）。その後、梁３０４も、例えば約３００−４５０℃の温度で保護キャップにより封入してもよい。

図１１−１３を参照すると、別の一例の実施形態に従って構成されたスイッチ構造体４００の幾つかの図が示されている。スイッチ構造体は接点４０２と、実質的に導電性材料（例えば、金属）から形成された片持ち梁４０４のような導電性要素とを含むことができる。梁４０４はアンカー４０６とベース４０７によって支持することができ、これらのアンカー４０６とベース４０７は梁と一体化されてもよく、この梁を下にある基板４０８のような支持構造体と接続するように機能し得る。スイッチ構造体４００はまた、梁４０４を作動させるように構成された電極３１０も含み得る。梁４０４は、幅ｗ_B1を有する第１の梁部分４０４と、幅ｗ_B2＞ｗ_B1を有する第２の梁部分４０４ｂとを含み得る。電極４１０は、ｗ_B2とおよそ等しくてよい幅ｗ_Eを有することができる。このように、電極４１０により提供される作動力は、第２の梁部分４０４ｂと電極の対応する幅を調節することによって調節することができる。第２の梁部分４０４ｂはまた、電極４１０の長さＬ_Eとおよそ等しい長さＬ_B2を有し得る。

図１４及び１５を参照すると、もう１つ別の一例の実施形態に従って構成されたスイッチ構造体５００の幾つかのが示されている。スイッチ構造体は接点５０２と、アンカー５０６及びベース５０７により支持された片持ち梁５０４とを含むことができる。このスイッチ構造体５００はまた、梁５０４を作動させるように構成された電極５１０も含み得る。梁５０４は幅ｗ_Bを有することができ、電極５１０は梁の幅と異なり得る幅ｗ_Eを有することができる。ｗ_E＞ｗ_Bの場合、電極５１０により生成し梁５０４に作用する静電気力は、梁の効率的な作動を起こし得、また恐らくは梁を作動させるのに必要なエネルギーを低下させる。接点５０２は幾つかの別個の接触構造体５０２ａ、５０２ｂを含み得、梁５０４は各接触構造体に並列に又は片方ずつ直列に電気的電流を提供し得る。

図１７を参照して、幾つかの実施形態において、スイッチ構造体６００は、共通の第２の梁部分６０４ｃに接続された複数の第１の片持ち部分６０４ａ、６０４ｂを有する導電性要素６０４を含み得る。図１８を参照して、スイッチ構造体７００は、対向する接点７０２と梁７０４を含み得る。梁７０４は、梁が作動すると接点７０２と接触するように構成された突起７０９を含み得る。梁７０４のかかる構成により、関連する電極７１０の厚さｔ_Eとほぼ等しい厚さｔ_Cを有する接点７０２が可能になる。

本発明の幾つかの特徴についてのみ例示し説明して来たが、当業者には多くの修正と変化が明らかであろう。例えば、図１のスイッチ構造体１００の導電性要素は片持ち梁により例証されるいるが、例えば、固定−固定梁、ねじれ素子、及び／又は隔膜を始めとしてその他の変形可能な接触構造体も可能である。さらに、以上の説明では時間依存性の変形を妨げるように構成されたモノリシックな金属性の層を有する梁を含んでいたが、他の実施形態では、各々（又は殆ど）の層が時間依存性の変形を妨げるように構成されている金属性材料の複数の層で実質的に形成された梁を含み得る。従って、後述の特許請求の範囲は、本発明の真の思想内に入るものとして、かかる修正と変化の全てを包含することを意図しているものと了解されたい。

スイッチ構造体 １００
接点 １０２
片持ち梁 １０４
アンカー １０６
ベース １０７
基板 １０８
電極 １１０
ゲート電圧源 １１２
回路 １１４
回路の第１の側 １１６
回路の第２の側 １１８
電源 １２０
電気的負荷 １２２
スイッチ構造体 ２００
接点 ２０２
片持ち梁 ２０４
梁端部 ２０５
アンカー ２０６
ベース ２０７
基板 ２０８
電極 ２１０
接点 ３０２
梁 ３０４
基板 ３０８
電極 ３１０
二酸化ケイ素 ３３０
接着層 ３３２
シード層 ３３４
金属層 ３３６
フォトレジスト ３３８
スイッチ構造体 ４００
接点 ４０２
片持ち梁 ４０４
第１の梁部分 ４０４ａ
第２の梁部分 ４０４ｂ
アンカー ４０６
ベース ４０７
基板 ４０８
電極 ４１０
スイッチ構造体 ５００
接点 ５０２
接触構造体 ５０２ａ、５０２ｂ
片持ち梁 ５０４
アンカー ５０６
ベース ５０７
電極 ５１０
スイッチ構造体 ６００
導電性要素 ６０４
第１の片持ち部分 ６０４ａ、６０４ｂ
第２の梁部分 ６０４ｃ
スイッチ構造体 ７００
接点 ７０２
梁 ７０４
突起 ７０９
電極 ７１０

Claims (10)

1. 基板（１０８）、
   前記基板上に配置された接点（１０２）、及び
   前記基板上に配置され、前記基板から伸延するアンカー（１０６）及び前記アンカーに連結された端部を有する梁を含み、実質的に金属性材料からなる導電性要素（１０４）及び構造体要素として配置された単一の構造体
   を含んでなり、
   前記単一の構造体の時間依存性の塑性変形は、該単一の構造体の金属性材料の時間依存性の塑性変形により決定され、
   前記単一の構造体は、前記単一の構造体が前記接点からある分離間隔だけ離れている第１の位置と、前記単一の構造体が前記接点と接触し、機械的エネルギーを蓄積する第２の位置との間で変形可能なように構成されており、前記単一の構造体は、ほぼ室温〜前記金属性材料の融解温度のほぼ半分の温度において少なくとも１０⁷秒の累積時間で第２の位置に変形された後、外力の不在下で分離間隔が前記累積時間にわたって２０パーセント未満だけ変化するように構成されており、
   前記金属性材料が少なくとも６５原子パーセントのニッケル及び少なくとも１原子パーセントのタングステンの合金を含み、
   前記単一の構造体への作動力が、
   前記梁の幅ｗＢ＞前記アンカーの幅ｗＡ、又は、
   前記接点（１０２）を備える電極の幅ｗＥ＞前記梁の幅ｗＢ
   とすることにより調整される、
   装置。
2. 前記単一の構造体が、第２の位置にあるとき前記接点と電気的連通を確立する、請求項１に記載の装置。
3. 前記単一の構造体が、変形中、外力の不在下で前記単一の構造体が実質的に第１の位置をとるようにさせるのに充分なエネルギーを蓄積するように構成されている、請求項１記載の装置。
4. 前記接点及び前記単一の構造体がミクロ電気機械装置又はナノ電気機械装置の部品である、請求項１乃至３のいずれかに記載の装置。
5. 前記単一の構造体が、片持ち梁である、請求項１乃至４のいずれかに記載の装置。
6. 前記単一の構造体が、前記単一の構造体がほぼ室温〜前記金属性材料の融解温度のほぼ半分の温度で第２の位置に変形されたとき、前記アンカー内の最大の非局在化された定常状態歪み速度が約１０^-12ｓ¹未満にとどまるように構成されている、請求項５記載の装置。
7. 前記単一の構造体が、前記単一の構造体の第２の位置への初期変形により前記アンカー内に第１の弾性歪みが誘発され、ほぼ室温〜前記金属性材料の融解温度のほぼ半分の温度において少なくとも１０⁷秒の累積時間で第２の位置に変形された後に、前記アンカーが第１の弾性歪みのほぼ半分より少ない最大の非局所的全塑性歪みを受けるように構成されている、請求項５または６に記載の装置。
8. 前記単一の構造体が、前記単一の構造体が第１及び第２の位置の間で変形したときに、前記アンカー内の応力が１０００ＭＰａ未満であるように構成されている、請求項５乃至７のいずれかに記載の装置。
9. 前記単一の構造体は、前記単一の構造体が第１及び第２の位置で変形するとき、前記アンカー内の応力が２０ＭＰａ未満であるように構成されている、請求項８に記載の装置。
10. 前記梁がある長さ及びある厚さを有しており、長さが厚さの約２００倍未満、分離間隔の約１０００倍未満である、請求項５乃至９のいずれかに記載の装置。
    

Images