JP5883203B2 - 応力固有素材及び形状記憶素材を使用したｍｅｍｓデバイスの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、概略、ＭＥＭＳデバイス及びその製造方法に関する。本発明は、より詳細には、少なくとも一層の形状記憶素材層（例えばＳＭＡ層）及び少なくとも一層の応力固有素材層（例えば応力固有金属層）を有するＭＥＭＳデバイスに関する。本発明に係るＭＥＭＳデバイスは、例えば、アクチュエータ、マイクロスイッチ、マイクロポンプ、マイクロバルブ、非破壊フューズ型接続プローブ等として用い得る。
ＭＥＭＳ(MicroElectronic Mechanical System)デバイスは、計算回路や論理回路により提供される電気的機能に機械的又は流体力学的機能を統合・集積化して製造された微視的デバイス乃至微視的マシンである。ＭＥＭＳデバイスを製造するためのプロセスにおいては、通常、集積回路（ＩＣ）の製造に使用するものと同様の素材及び手法が使用される。ＭＥＭＳデバイスの製造に際しては、通常、半導体チップ等の電子マイクロチップ内に、センサ、バルブ、ギア、ミラー、アクチュエータ等といった極小の機械部品が作り込まれる。例えば、アクチュエータとして機能し得るＭＥＭＳデバイスを得るには、制御システムからの信号に応じてその構成要素（例えばエンドエフェクタ）の位置が変化し又は保たれその結果所要タスクが実行されるよう、ＭＥＭＳデバイスを形成すればよい。形状記憶素材(shape memory material)例えばＳＭＡ(Shape Memory Alloy:形状記憶合金)は、その変位量が非常に大きくまたそのエネルギ密度が非常に高いことからして、アクチュエータを構成する上で多大なる可能性を秘めた素材であるといえる。ＭＥＭＳデバイスにて形状記憶用に用いられているＳＭＡによる形状記憶効果は、大抵はワンウェイ形状記憶効果であり、この種のデバイスを低温マルテンサイト相にて変形状態に保持するには、ＳＭＡを機械的にバイアスすることが必要である。ＳＭＡ／基板バイモルフ構造等にて使用されるＳＭＡ膜にバイアス力を加え変形させるための機構としては、既に、多くの機構が研究されている。
米国特許第５６１３８６１号明細書 米国特許第５８２５２７５号明細書 米国特許第５９１４２１８号明細書 米国特許第６２６４４７７号明細書 米国特許第６３９２５２４号明細書 米国特許第６４９９８３１号明細書 米国特許第６６８９４８６号明細書 米国特許第６７３４４２５号明細書 Ishida et al., "Sputter-Deposited Shape-Memory Alloy Thin Films: Properties and Applications," MRS Bulletin, pp.111-114 (2002) Smith et al., "A New Flip-Chip Technology for High-Density Packaging," Proc. 46th Electronic Components and Technology Conf. (Orlando, Florida, May 1996), pp.1-5 Fork et al., "Stress Engineered Metal Interconnects," 8th Annual Known Good Die Conference, Napa, California, September 10, 2001, 6 pages Xu et al., "Characteristics and Fabrication of NiTi/Si Diaphragm Micropump," Sensors and Actuators A, Vol.93, pp.87-92 (2001) Wayman, "Shape Memory Alloys," MRS Bulletin, Vol.18, No.4, pp.49-56 (1993) Kahn et al., "The TiNi Shape-Memory Alloy and its Applications of MEMS," J. Micromech. Microeng., Vol.8, pp.213-221 (1998) Makino et al., "Fabrication of TiNi Shape Memory Micropump," Sensors and Actuators A, Vol.88, pp.256-262 (2001) Gill et al., "Manufacturing Issues of Thin Film NiTi Microwrapper," Sensors and Actuators A, Vol.93, pp.148-156 (2001) Fork et al., "Nano-Spring Arrays for High Density Interconnect," Proceedings of SPIE, Vol.4176, pp.226-235 (2000) Kuribayashi et al., "Micron Sized Arm Using Reversible TiNi Alloy Thin Film Actuators," Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol.276, pp.167-176 (1992) "Engineering Aspects of Shape Memory Alloys," Edited by T.W.Duerig et al., Butterworth-Heinemann, 1990 "Shape Memory Materials," Edited by K.Otsuka and C.M.Wayman, Cambridge University Press, 1998
ここに、本発明の一実施形態に係るデバイスの製造方法は、少なくとも一種類の形状記憶素材を堆積させて少なくとも一の薄い形状記憶素材膜を成膜し、少なくとも一種類の応力固有素材を堆積させて少なくとも一の薄い応力固有素材膜を成膜し、応力固有素材膜を形状記憶素材膜に並んで配置し、応力固有素材膜は、その形成時に固有の応力勾配を付与され、応力固有素材膜に固有の応力勾配によって、本デバイスが、初期変形状態へと戻る。
まず、本発明を実施する際には、形状記憶素材として、ＳＭＡ素材、ポリマ素材、セラミック素材、それらの任意の組合せ等を使用できる。本発明を実施する際に使用できるＳＭＡ素材としては、これに限られるものではないが、ＮｉＡｌ、ＴｉＮｉ、ＴｉＮｉＨｆ、ＴｉＮｉＣｕ、ＴｉＮｉＮｂ、ＴｉＮｉＰｄ、ＴｉＮｉＣｏ、ＴｉＰｄＮｉ、ＡｇＣｄ、ＡｕＣｄ、ＣｕＺｎ、ＣｕＺｎＧａ、ＣｕＺｎＳｉ、ＣｕＺｎＳｎ、ＣｕＺｎＡｌ、ＣｕＡｌＮｉ、ＣｕＳｎ、ＣｕＡｕＺｎ、ＩｎＴｌ、ＩｎＣｄ、ＭｎＣｄ等やその混合物を示すことができる。
ＳＭＡ素材の中でも本発明の実施に適した素材は、そのアクチュエーションエネルギ密度(actuation energy density)が約１０〜約２００ＭＪ／ｍ3（より好ましくは約８０〜約１２０ＭＪ／ｍ3）の範囲内にあり、またその復元可能歪(recoverable strain)が約０．１〜約２０％（より好ましくは約５〜約１５％）の範囲内にある素材である。しかしながら、これらの特性に関しここで示した数値とは異なる数値を示すＳＭＡ素材を使用して、本発明を実施することも可能である。
後に本発明の実施形態として示すデバイス乃至システムにおいては、ＳＭＡ素材としてＴｉＮｉ合金を用いている。ＴｉＮｉ合金は、その原子量が（異なるが）近いＴｉとＮｉとの合金である。ＴｉＮｉ合金は、大きなエネルギ密度（１Ｊ／ｇ）や大きな変位量（１０％歪）といった非常に有用な熱機械特性を有するにとどまらず、多くの生物学的エージェント(biological agent)に対して親和性を有している。ＮｉＴｉ薄膜の形成方法としては、例えばスパッタリングを使用できる。
また、本発明を実施する際に応力固有素材として好適に使用できる素材は、ＭＥＭＳデバイスを構成するコンポーネントのうち対応するＳＭＡコンポーネントを変形させ得るような機械的応力バイアスを提供できる（又は提供するよう構成できる）素材である。先に注記した通り、応力固有素材として使用する素材には、その製造中に、リリース前状態(pre-release state)にて固有の応力又は応力勾配を付与しておく。応力固有素材の例としては、これに限られるものではないが、各種の金属、合金、酸化物、窒化物、半導体、Ｓｉ、カーバイド、ダイアモンド、セラミック、ポリマ又はその組合せ等、その内部応力又は応力勾配を制御できる素材を示すことができ、中でも代表的な素材としては、やはりこれに限られるものではないが、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｉ等の金属や、ＭｏＣｒ、ＴｉＷ、ＮｉＺｒ等の合金や、それら金属若しくは合金の組合せを、示すことができる。後に本発明の実施形態として示すシステム乃至デバイスにおいては、応力固有素材として、ＭｏＣｒ等の応力固有金属合金を用いている。応力固有素材層の組成は、例えば、厚み方向に沿って均一とする。
本発明に係るＭＥＭＳデバイスは、その一端又は両端が基板にクランプ乃至保持固定されたカンチレバー構造を有するデバイス乃至システムとして、実施することができる。図１に、カンチレバー構造を有するＭＥＭＳデバイスの一例としてデバイス乃至システム１００を示す。このカンチレバー構造は、一層のＳＭＡ膜１１０及び一層の応力固有金属膜１２０を有している。これらの層のうちＳＭＡ膜１１０はＳＭＡにより形成された膜（層）であり、基板１３０への固定等によって基板１３０によりしっかりと保持されている。また、システム１００をアクチュエータ等として機能させられるようにするため、金属の応力固有素材即ち応力固有金属により形成された膜（層）である応力固有金属膜１２０には、その形成（例えば堆積(deposition)。各種の層又は膜について以下同様）時に、固有の応力又は応力勾配が付与されている。例えば、応力固有金属膜１２０に固有の引張応力を付与しておくか、或いは内在する応力が底面寄りでは圧縮となり頂面寄りでは引張となるよう応力固有金属膜１２０に固有の応力勾配を付与しておけば、応力固有金属膜１２０ひいてはＳＭＡ膜１１０及び応力固有金属膜１２０の総体を、上向きに反り返らせることができる。逆に、応力固有金属膜１２０に固有の圧縮応力を付与しておくか、或いは内在する応力が底面寄りでは引張となり頂面寄りでは圧縮となるよう応力固有金属膜１２０に固有の応力勾配を付与しておけば、応力固有金属膜１２０ひいてはＳＭＡ膜１１０及び応力固有金属膜１２０の総体を、下向きに反り返らせることができる。また、ＳＭＡ膜１１０と応力固有金属膜１２０の位置を入れ替えることによっても、反り返る向きを反転させることができる。例えば、この図とは逆に応力固有金属膜１２０がＳＭＡ膜１１０より下側に位置している構造を製造する際に、内在する応力が圧縮応力となるよう応力固有金属膜１２０を形成すれば、反り返る向きは上向きになり、内在する応力が引張応力となるよう応力固有金属膜１２０を形成すれば、反り返る向きは下向きになる。そして、図中のＡはシステム１００が冷間状態であるとき即ちその温度がＳＭＡ素材の相転移温度より低いときにカンチレバー構造が採る位置であり、Ｂはシステム１００が加熱状態であるとき即ちその温度がＳＭＡ素材の相転移温度より高い温度に達しているときにカンチレバー構造が採る位置である。ＡからＢへのカンチレバー構造の位置変化（変位）は、ＳＭＡ膜１１０のヤング率、降伏強さ又はその双方が加熱に伴って増加し、応力固有金属膜１２０によってカンチレバー構造に付与されている機械的バイアスを超克することによって、生じている。
図２に、カンチレバー構造を有するＭＥＭＳデバイスの一例として、サンドイッチ型カンチレバー構造を有するデバイス乃至システム２００を示す。このサンドイッチ型カンチレバー構造は、一層のＳＭＡ膜２１０、一層の第１応力固有金属膜２２０及び一層の第２応力固有金属膜２３０を有している。第１応力固有金属膜２２０には、固有の圧縮応力がその形成時に付与されており、第２応力固有金属膜２３０には、固有の引張応力がその形成時に付与されている。先に図１に関し説明した通り応力に代え応力勾配を付与してもよいし、応力又は応力勾配の性質及び傾向を反転させてもよいし、上下の位置関係を入れ替えてもよい（他の実施形態についても同様）。ＳＭＡ膜２１０並びに応力固有金属膜２２０及び２３０は、基板２４０に固定等されたＳＭＡ膜２１０を介し、一体として基板２４０によりしっかりと保持されている。先に図１に関して説明した通り、冷間状態におけるカンチレバー構造の位置はＡ、加熱状態におけるそれはＢであり、加熱に伴いカンチレバー構造は位置Ａから位置Ｂへと変位する。
図１及び図２においては、応力固有金属膜及びＳＭＡ膜を一体に組み合わせることによって、能動マイクロデバイスが形成されている。このデバイスを構成する膜のうち応力固有金属膜は、ＳＭＡ膜に対して機械的バイアスを加えている。より詳細には、冷間状態即ち（例えば室温程度の）低温状態においては、ＳＭＡ膜がマルテンサイト相に属しており従ってそのヤング率及び降伏強さが小さくなっているため、ＳＭＡ膜から応力固有金属膜に加わる機械的負荷は軽くなっている。応力固有金属膜には固有の応力又は応力勾配が付与されているため、これらの膜の組合せでできている本デバイスの位置は、冷間状態では、比較的大きく曲がった変形状態となっている（カンチレバー構造の曲率半径が小さくなっている）。この状態から、周囲温度（環境温度）の自然若しくは強制上昇又はそのデバイスへの通電等によってそのデバイスの温度が上昇すると、このデバイス温度上昇によってＳＭＡ膜がオーステナイト相へと転移しその結果としてＳＭＡ膜のヤング率及び降伏強さが大きくなるため、デバイスの変形は小さくなる（理想的には、変形していない平坦な状態を取り戻す）。このプロセスはデバイス温度を下げることによって反転させることができ、そのようにすればデバイスを再び冷間状態にすること即ち元々の大きく曲がった又は変形した状態に戻すことができる。そして、このサイクルは、温度を繰り返し上下させることによって望む限り何回でも繰り返すことができる。このように、図１又は図２に示した実施形態によれば、ツーウェイ複数回アクチュエーション型のＭＥＭＳデバイスを実現できる。
また、応力固有金属膜（より一般的には応力固有素材層）は、図１に示したように一層とすることもできるし図２に示したように多層とすることもできる。応力固有素材として応力固有金属を用いる場合は、この応力固有素材層を複数層設ける方が有利である。それは、各応力固有素材層に固有の応力を全応力固有素材層について合計した値（合計応力）によって、システムに期待されている応力（所望合計応力）を実現すればよくなるからである。設計時には、個々の応力固有素材層について応力の種類（即ち圧縮応力とするか引張応力とするか）やその強さを、それら応力固有素材層それぞれに固有の応力から計算できる合計応力が所望合計応力となるよう、適宜選択すればよい。例えば、２個の応力固有素材層を用いるシステムにて全体としてある強さの引張応力を得たい場合は、（ｉ）それら２個の応力固有素材層の何れも固有の引張応力を付与することとし、それらの合計が所望合計引張応力となるよう各応力固有素材層に固有の引張応力の強さを決めるか、或いは（ｉｉ）それら２個の応力固有素材層のうち一方に固有の引張応力をまた他方に固有の圧縮応力を付与することとし、当該一方の応力固有素材層に固有の引張応力の強さが当該他方の応力固有素材層に固有の圧縮応力の強さよりも所望の合計引張応力分だけ大きくなるよう各応力固有素材層に固有の応力の強さを決めればよい。
本発明を実施するに当たっては、ＳＭＡ膜や応力固有素材膜ににとどまらず、他種の機能素材層乃至機能素材膜を堆積その他の手法によって多層アレイ内に組み込むことができる。組み込める機能素材膜の例としては、デバイスの位置（姿勢）乃至形状をより精密に検知できるようにするためのセンサ膜がある。このセンサ膜の寸法は、ＳＭＡ膜や応力固有素材膜の寸法と同一にすることもできるし、ＳＭＡ膜や応力固有素材膜の寸法より小さくすることもできる。例えば、対応部材について同一参照符号を使用し図３に示すように、図２に示したシステム２００上にＳＭＡ膜２１０や応力固有素材膜２２０及び２３０より小さいセンサ膜２５０を堆積させ、このセンサ膜２５０を接続用配線乃至電極２６０及び２７０を介して外部電気回路に接続することができる。このセンサ膜２５０は、例えば、圧電素材、（半導体等による）圧電抵抗素材、又はその組合せから形成された薄膜である。センサ膜２５０として圧電薄膜を設ける場合、本デバイスの曲率乃至位置の変化に従い当該圧電薄膜の置かれている応力条件が変化し外部電気回路への出力が変化するため、この出力を参照すれば本デバイスの曲率乃至位置をより正確に検知でき従ってそれらをより正確に制御することができる。
本発明に係るＭＥＭＳデバイスはダイアフラム構造として実施することもできる。図４に、ダイアフラム構造を有するＭＥＭＳデバイスの一例として、デバイス乃至システム３００を示す。このダイアフラム構造は、一層のＳＭＡ膜３１０及び一層の応力固有金属膜３２０を有している。応力固有金属膜３２０には、固有の引張応力がその形成時に付与されている。このダイアフラム構造は、その間に空っぽの又は邪魔者のない領域乃至空間が生まれるよう配置乃至形成された複数個の基板又は基板部分３３０により、堆積等の手法によってしっかりと保持されている。これらの膜は、冷間状態においては位置Ａにあり、加熱されると位置Ｂへと変位する。この変位乃至移動は、流体や液体の移送等、様々な用途において利用できる。
図５に、ダイアフラム構造を有するＭＥＭＳデバイスの一例として、デバイス乃至システム４００を示す。このダイアフラム構造は、一層のＳＭＡ膜４１０、一層の第１応力固有金属膜４２０及び一層の第２応力固有金属膜４３０を有している。第１応力固有金属膜４２０には、固有の圧縮応力がその形成時に付与されており、第２応力固有金属膜４３０には、固有の引張応力がその形成時に付与されている。ＳＭＡ膜４１０並びに応力固有金属膜４２０及び４３０は、総体として、間隔配置されている複数個の基板又は基板部分４４０により、しっかりと保持されている。これらの膜を総体として加熱すると、本アセンブリは位置Ａから位置Ｂへと変位する。
図６に、ダイアフラム構造を有するＭＥＭＳデバイスの一例として、デバイス乃至システム５００を示す。このダイアフラム構造は、一層のＳＭＡ膜５１０、一層の第１応力固有金属膜５２０並びに一層の第２応力固有金属膜５３０を有している。第１応力固有金属膜５２０には、固有の引張応力がその形成時に付与されており、第２応力固有金属膜５３０には、固有の圧縮応力がその形成時に付与されている。ＳＭＡ膜５１０並びに応力固有金属膜５２０及び５３０は、総体として、概ねそれらの膜の片側に面して空っぽの又は邪魔者のない領域乃至空間が生まれるよう配置乃至形成された複数個の基板又は基板部分５４０に対して、しっかりと保持又は固定されている。先に述べた通り、これらの膜を加熱すること、より具体的には相転移する温度までＳＭＡ膜５１０を加熱することにより、ＳＭＡ膜５１０並びに応力固有金属膜５２０及び５３０を位置Ａから位置Ｂへと変位させることができる。
本発明を実施するに当たっては、ＳＭＡにマルテンサイトオーステナイト相転移を引き起こすための温度制御が重要となる。まず、特徴的温度のうち、マルテンサイトオーステナイト相転移の開始温度をＡｓ、終了温度をＡｆ、オーステナイトマルテンサイト相転移の開始温度をＭｓ、終了温度をＭｆとそれぞれ表すこととすると、あるＳＭＡ素材にてマルテンサイトオーステナイト相転移を開始させるには、そのＳＭＡ素材の温度をＡｓより高くしなければならず（Ａｆより高くするのが望ましく）、オーステナイトマルテンサイト相転移を開始させるには、そのＳＭＡ素材の温度をＭｓより低くしなければならない（Ｍｆより低くするのが望ましい）。
ＳＭＡの相転移温度例えばマルテンサイトオーステナイト相転移温度は、各層の組成、各層の構造及び組合せ並びにＭＥＭＳデバイスの構造を適宜定めることによって、約−２００〜約１１０℃の範囲内で任意設定することができる。他方、応力固有素材層例えば応力固有金属膜に内在する応力又は応力勾配は、応力固有金属により形成されたスプリングについての熱サイクル実験の結果から見て、通常時室温（２０℃）と１５０℃との間での温度サイクル程度では、ほとんど失われない（リリースされない）。従って、ＳＭＡ膜の相転移温度を約６０〜約７５℃又はそれ以下で通常時室温（２０℃）より高い温度に設定しておけば、例えば温度が通常時室温と１５０℃との間でサイクル的に変化している間、応力固有金属膜内における応力劣化乃至応力消失を生じさせることなく、ＳＭＡ膜を所定点で相転移させることができる。そこで、本発明の好適な実施形態においては、通常、その相転移温度が室温即ち２０℃より高く例えば約６０〜約７５℃の範囲内となるよう調整されたＳＭＡ薄膜を用いる。これによって、信頼性のよい応力固有金属／ＳＭＡアクチュエータを得ることができる。
本発明を実施する際のＭＥＭＳデバイス温度制御は、そのデバイスの周囲温度を調整することだけでなく、高々数百Ｈｚ程の周波数を有する電流をデバイスに流す等してそのデバイスをジュール発熱乃至抵抗発熱させることによっても、実現できる。この発熱によってマルテンサイトオーステナイト相転移が生じＳＭＡがオーステナイト相となれば、ヤング率及び降伏強さが大きくなるためデバイスの曲がり方乃至変形度は小さくなり、流していた電流を断ってデバイスの温度を下げれば、元々の大きく曲がった変形状態へとデバイスを復帰させることができる。電流を再び流せばデバイスを再発熱させ得るため、所望に応じ何回でもサイクルを繰り返すことができる。
カンチレバー型ＭＥＭＳデバイスを構成する膜に電流を流し発熱させる形態にて本発明を実施する場合は、そのデバイスにて効率的に熱が発生するよう注意深く設計するのが望ましい。また、この電流を供給するための接続用配線乃至電極は、このデバイスを構成する幾つかの層の固定端乃至クランプ端に接続するのが望ましい。図７〜図１０に、使用時に多層アセンブリに電流を流して熱を発生させることができるよう構成されたカンチレバー型アクチュエーションデバイスの例を２個、示す。これらのうち図７及び図８に示すカンチレバー型デバイス乃至システム６００は、一層のＳＭＡ層６１０、一層の応力固有金属層６３０及び一層の誘電体層６２０を有している。誘電体層６２０は、ＳＭＡ層６１０と応力固有金属膜６３０との間に配置された非常に薄い誘電体層、例えば酸化シリコン層である。これらの層によって、本デバイス６００においては、電気的バイアスを印加し得る多層電極構造が形成されている。即ち、本デバイス６００を構成している多層アセンブリの一端は、図７に示すように、基板６４０に固定等されしっかりと保持されている。更に、図８からその構成を読み取れるようにこの多層アセンブリには自由端６１５があるが、誘電体層６２０はこのアセンブリの自由端６１５まで完全に到達しておらず、自由端６１５ではＳＭＡ層６１０と応力固有金属層６３０とが互いに接触している。ＳＭＡ層６１０と応力固有金属層６３０との接触点はこの一点のみであり、この点における接触によってＳＭＡ層６１０は応力固有金属層６３０と導通している。その結果として、図７に示すように、ＳＭＡ層６１０への電気的アクセスのため設けられた接続用配線乃至電極６５０から、ＳＭＡ層６１０、自由端６１５における接触、並びに応力固有金属層６３０を経て、応力固有金属層６３０への電気的アクセスのため設けられた接続用配線乃至電極６６０に至る電気的導通路が、形成されている。即ち、ＳＭＡ層６１０と応力固有金属層６３０との電気的導通箇所が図８に詳細に示した自由端６１５ただ一点のみであるため、図７及び図８から読み取れるように、接続用配線乃至電極６５０と接続用配線乃至電極６６０との間に流した電流が多層アセンブリの（ほぼ）全長を通ることとなる。
また、本発明を実施するに当たり、ＳＭＡ層及び応力固有素材層に加えて発熱素子を設けることもできる。例えば、多層アセンブリ乃至アレイの表面や内部に、ＳＭＡ層及び応力固有素材層とはまた別の層としてＳＭＡ層加熱用の発熱素子を形成すればよい。この別層型発熱素子における発熱原理としては様々な原理を用い得る。例えば、抵抗発熱の原理による抵抗発熱素子等としてこの発熱素子を実現することができる。別層型発熱素子を用いつつ又は用いずに、ＳＭＡ層及び応力固有素材層の一方又は双方を発熱素子として用いることもできる。
次に、図９及び図１０に示すカンチレバー型デバイス乃至システム７００は、一層のＳＭＡ層７１０、一層の応力固有金属層７２０及び開口部７３０を有している。図１０として示した斜視図中、Ａは冷間状態におけるデバイス７００の位置であり、Ｂは加熱状態におけるデバイス７００の位置である。また、開口部７３０は、この多層アセンブリの長手方向に沿って設けられた狭くて長い開口であり、誘電体素材によって充填しておくこともできる。このように開口部７３０を有するデバイスパターンによって、本デバイス７００においては、電気的バイアスを印加し得るコプレーナ電極構造が形成されている。即ち、ＳＭＡ層７１０及び応力固有金属層７２０を含む多層アセンブリは、図９に示すように開口部７３０によってほぼ全長に亘り２個の領域に分け隔てられている（自由端のみにてつながった細長いＵ字を形成している）。また、この多層アセンブリの端部のうち基板７４０に固定されている方の一端には、これら２個の領域のうち一方に対する電気的接続用に配線乃至電極７５０が、また他方に対する電気的接続用に配線乃至電極７６０が、それぞれ設けられている。従って、接続用配線乃至電極７５０及び７６０を電源に接続したときに流れる電流は、電源から一方の接続用配線乃至電極（例えば７５０）を経てその接続先の領域に沿い本アセンブリの全長を通り、更に自由端を経てもう１個の領域に沿い本アセンブリの全長を通って逆方向に流れ、そしてこの領域の接続先の接続用配線乃至電極（例えば７６０）を介して電源に戻ることとなる。従って、本実施形態によれば、電流ドライバの出力抵抗に対し本デバイス７００の抵抗がマッチングするよう、デバイス７００や電極乃至導通路のパターン及び状態を設計することによって、高い（最高の）アクチュエーション効率を得ることができる。
また、本発明は、装置実装の際に用い得る多層非破壊フューズ型接続プローブとしても、実施することができる。この多層プローブは、例えば、一層又は複数層の形状記憶素材層例えばＳＭＡ層と、一層又は複数層の応力固有素材層例えば応力固有金属層とにより実現できる。本発明に係る多層プローブを構成するに当たっては、例えば、応力（圧縮応力若しくは引張応力）又は応力勾配が内在することとなるよう制御しつつＳＭＡ層上に応力固有金属層を形成する。これによって形成された多層アセンブリは、ＳＭＡ層がマルテンサイト相に属しているとき、応力固有金属層に内在している応力又は応力勾配によって大きく曲がった状態となる。この状態乃至位置を、フューズにて採るべき二通りの位置のうち何れか、即ち接触点から離れた位置又は接触点に接触乃至近接した位置として利用することにより、非破壊フューズとして機能し得る多層プローブを実現できる。図１１に、非破壊フューズ機能を有する応力固有金属／ＳＭＡ製プローブの例を示す。この図に示すデバイス乃至システム８００は、接触先デバイス８８０に対して随時接触乃至導通するプローブ８５０として構成されている。プローブ８５０は、一層のＳＭＡ層８１０及び一層の応力固有金属層８２０を有する多層アセンブリの一端を、基板８３０に取付等してしっかりと保持した構成を有しており、他方で、接触先デバイス８８０は、基板８６０及びその上に形成乃至配置されたコンタクトパッド乃至面８７０を有している。膜として形成されているＳＭＡ層８１０の相転移温度の値は、例えば、周囲温度が安全温度（フューズ作動温度）より高いときにＳＭＡ層８１０がオーステナイト相に転移するよう、調整されている。このような調整下では、周囲温度が安全温度より高くなるとＳＭＡ層８１０がオーステナイト相へと転移し、その結果応力固有金属層８２０の変形が非常に小さくなるため、プローブ８５０が接触先デバイス８８０から離れて位置Ｂに向かう。周囲温度が安全温度より低くなれば、ＳＭＡ層８１０が相転移によってマルテンサイト相に戻り、その結果応力固有金属層８２０の変形が大きくなるため、プローブ８５０が接触先デバイス８８０に再び接触して位置Ａとなる。本実施形態においては、また、ＳＭＡ層８１０に電流を流してジュール熱を発生させ、このジュール熱によってＳＭＡ層８１０を熱することもできる。このような加熱方法を用いる場合、プローブ８５０に流れる電流が安全電流（フューズ作動電流）より大きくなったらＳＭＡ層８１０がオーステナイト相に転移してプローブ８５０が接触先デバイス８８０から離れ、プローブ８５０に流れる電流が再び安全電流より小さくなったらＳＭＡ層８１０が相転移によってマルテンサイト相に戻りプローブ８５０が接触先デバイス８８０に接触する、という動作になる。なお、プローブ８５０に流れる電流とプローブ８５０の温度との間の量的関係は、個々のプローブ毎に的確に定めることができ、従って、一方から他方を計算できるよう安全温度及び安全電流を定めることができる。このようなプローブ８５０は、周囲温度が高すぎるとき又はプローブ８５０若しくはデバイス８８０に流れる電流が大きすぎるときに接触先デバイス８８０との接続を自動切断する非破壊フューズとして、様々な業界にて使用することができる。
本発明は、また、形状記憶素材／応力固有素材アクチュエーション型の多層ＭＥＭＳデバイスに熱アクチュエーションを組み合わせた構成のデバイス乃至システムとしても、実施できる。即ち、一層又は複数層の形状記憶素材層例えばＳＭＡ層と、一層又は複数層の応力固有素材層例えば応力固有金属層と、これら形状記憶素材及び応力固有素材に比べその熱膨張係数が大きく異なる金属その他の素材による一層又は複数層の層と、を有するデバイス乃至システムとして、実現できる。図１２に、この種のデバイス乃至システムの一例としてカンチレバー型デバイス乃至システム９００を示す。このデバイス乃至システム９００においては、一層のＳＭＡ層９１０、一層の応力固有金属層９３０、ＳＭＡ層９１０と応力固有金属層９３０との間に配置された一層の薄い誘電体層９２０、並びに付加金属層９４０によって、多層アセンブリが形成されている。この多層アセンブリの端部のうち基板９５０に固定されている方の一端には、ＳＭＡ層９１０との導通のための接続用配線乃至電極９６０及び付加金属層９４０との導通のための接続用配線乃至電極９７０が設けられており、他端即ち先端乃至自由端における構成特に誘電体層９２０の形成部位乃至態様は、図８に示した実施形態におけるそれと同様である。この図に示した構成が図７及び図８（又は図９及び図１０）に示した構成と異なる点は、膜たる応力固有金属層９３０の頂面上に、ＭｏＣｒやＴｉＮｉに比べて非常に大きい熱膨張係数を有するＡｌ等によって、付加金属層９４０が形成されていることである。即ち、本実施形態においては、デバイス乃至システム９００の温度が上昇したときに当該デバイス乃至システム９００の曲がり方を小さくしその位置を図中の位置Ｂに追いやる作用が、ＳＭＡ層９１０例えばＴｉＮｉ膜による形状記憶効果だけでなく、付加金属層９４０例えばＡｌ層と、応力固有金属層９３０例えばＭｏＣｒ層及びＳＭＡ層９１０例えばＴｉＮｉ層と、の間の熱膨張係数の差によっても、生じている。このように、付加金属層９４０を設けた分、加熱状態においてはデバイス乃至システム９００の平坦度が増しており、冷間状態においてはＳＭＡ層９１０例えばＴｉＮｉ膜による形状記憶効果による変位量より大きな変位量が得られている。なお、図中のＡは冷間状態におけるデバイス９００の位置を表している。
本発明を実施するに当たり、形状記憶素材／応力固有素材アクチュエーションと、熱アクチュエーションとを、また別のやり方で組み合わせることもできる。例えば、図７及び図８にてＳＭＡ層６１０上に形成する応力固有金属層として、そのＳＭＡ層６１０に比べて非常に異なる（例えば非常に大きい）熱膨張係数を有する金属層としても機能し得る層を形成してもよく、そのようにすれば図１２における付加金属層９４０に相当する層を省略できる。即ち、構造的には図７及び図８に示したＭＥＭＳデバイス６００と同様だが性能的には図１２に示したＭＥＭＳデバイス９００と同様のＭＥＭＳアクチュエータを、実現することができる。このデバイスにおいては、加熱状態乃至高温状態になると、ＳＭＡ膜の相転移が生じているためだけでなくＳＭＡ膜対応力固有金属膜間熱膨張係数差も作用するため、その形状の変形度合いは小さくなる。
更に、本願中では形状記憶素材（ＳＭＡ等）や応力固有素材（応力固有金属等）を使用する様々なデバイス乃至多層アセンブリを示しているが、それらの層乃至膜の厚みは様々な厚みに設定することができる。概括すると、各層乃至膜の厚みは様々な要素に依存しているが、ＳＭＡ層乃至膜の厚み（ＳＭＡ層乃至膜を複数層設ける場合は各層厚み又は合計厚み）は、約０．１〜約５００μｍの範囲内で定めればよく、好ましくは約０．５〜約１０μｍの範囲内で定めればよく、より好ましくは約０．７〜約４μｍの範囲内で定めればよく、更に好ましくは約０．８〜約２．５μｍの範囲内で定めればよい。同様に、応力固有金属層乃至膜の厚み（応力固有金属層乃至膜を複数層設ける場合は各層厚み又は合計厚み）は、約０．１〜約５００μｍの範囲内で定めればよく、好ましくは約０．５〜約１０μｍの範囲内で定めればよく、より好ましくは約０．７〜約４μｍの範囲内で定めればよく、更に好ましくは約０．８〜約２．５μｍの範囲内で定めればよい。本願中で述べた実施形態を、ここで述べた数値範囲より厚い層乃至膜や薄い層乃至膜を用いて実施することもできる。
また、本願中では応力固有素材（応力固有金属等）内に応力又は応力分布が付与された様々なデバイス乃至多層アセンブリを示しているが、この応力固有素材に内在する固有の応力の強さ及び種類や、応力固有素材に内在する応力分布における固有の応力勾配は、様々に設定することができる。例えば、応力固有素材に内在する固有の応力の強さを１００ＭＰａより強くしてもよいし、応力固有素材に内在する固有の応力勾配を１００ＭＰａ／μｍ或いは２００ＭＰａ／μｍより大きくしてもよい。なお、先に述べた通り、これら応力又は応力勾配の値はその応力固有素材がリリース前状態にあるときの値である。
本発明は、一層又は複数層の形状記憶素材層例えばＳＭＡ層と、一層又は複数層の応力固有素材層例えば応力固有金属層と、を備える多層ＭＥＭＳデバイスの製造乃至提供方法をも、包含している。本方法においては、堆積した応力固有素材層内に圧縮若しくは引張応力又は応力勾配が生じるよう制御しつつ形状記憶素材（例えばＳＭＡ）層上に応力固有素材（例えば応力固有金属）層を堆積させることによって、応力固有素材層を形成する。このようにして形成された応力固有素材層には応力又は応力勾配が内在しているため、形状記憶素材層が所定の状態にあるとき（例えばＳＭＡ層がマルテンサイト相に属しているとき）、当該応力又は応力勾配によって効果的に、ＭＥＭＳ基板寄りの方向又はＭＥＭＳ基板から離れる方向へと、多層ＭＥＭＳデバイスが曲げられ又は変位させられることとなる。また、堆積させた後、形状記憶素材層として使用するＳＭＡ膜は大抵約４００〜約７００（又は８００）℃の温度範囲内の温度でアニーリングする必要があり、応力固有素材層として使用する応力固有金属膜は大抵約２００℃未満の温度でアニーリングするのが普通である。そのため、ＳＭＡ膜及び応力固有金属膜によって本発明を実施する際には、まずＳＭＡ膜を堆積させてから応力固有金属膜を堆積させるのが望ましい。しかしながら、ある種の状況下においてはＳＭＡ膜を２００℃未満の温度で堆積させ得るため、本発明を実施するに当たり、上述した順序とは逆の順序で層乃至膜を堆積させることもできる。更に、ＭＥＭＳ基板上に多層ＭＥＭＳデバイスを形成するに当たり、ＭＥＭＳ基板としては、様々な種類の基板を使用できる。例えば、これに限られるものではないが、シリコン、水晶、ガラス、金属等を使用できる。即ち、構造的に単純で変位量及び力が大きく安定なマイクロアクチュエーションデバイスを、容易に製造乃至提供することができる。
本発明の一実施形態に係るカンチレバー型ＭＥＭＳデバイス製造方法は、例えば、（ａ）基板上に犠牲層を堆積させるステップと、（ｂ）ＳＭＡ膜を犠牲層上に堆積させアニーリングするステップと、（ｃ）堆積した応力固有素材膜内に応力又は応力勾配が生じるよう堆積パラメータ又は堆積パラメータ群を制御しつつ応力固有素材膜をＳＭＡ膜上に堆積させるステップと、（ｄ）犠牲層を除去するステップと、を有する。
本実施形態においては、図１３に例示する通り、シリコン等の基板上にカンチレバー型デバイスを形成するためのプロセス１０００が提供される。このプロセス１０００は、裸のシリコンウェハ等の基板１０１０を準備するステップと、アモルファスシリコンやＰＳＧ(phosphate glass)等の犠牲層１０２０を基板１０１０上に堆積させその一部分をドライ又はウェットケミカルエッチング等のパターニング（部位選択的除去）手法により除去するステップとを、有している。ここまでの処理で、製造中のデバイス乃至アセンブリは、図１３（ａ）に示す状態となっている。プロセス１０００は、更に、蒸着、気相成長、スパッタリング等の手法によりＴｉＮｉ膜等のＳＭＡ膜１０３０を基板１０１０及び犠牲層１０２０上に堆積させ４００〜７００℃にてアニーリングし結晶化させるステップと、酸化物又は窒化物からなる誘電体層１０４０をこの一層又は複数層のＳＭＡ膜１０３０上に堆積させパターニングするステップとを、有している。アニーリングに当たっては、２００℃近傍又はそれ未満の温度による低温アニーリングプロセスを用いてもよい。ここまでの処理で、アセンブリは図１３（ｂ）に示す状態となっている。プロセス１０００は、更に、堆積した応力固有金属膜１０５０内に所望の応力又は応力勾配が生じるよう（例えば底面寄りでは圧縮応力となり頂面寄りでは引張応力となるよう）堆積パラメータ又は堆積パラメータ群を制御しつつＮｉやＭｏＣｒ等による一層又は複数層の応力固有金属膜１０５０をＳＭＡ膜１０３０及び誘電体層１０４０上に堆積させそれぞれその一部が除去されるよう応力固有金属膜１０５０及びＳＭＡ膜１０３０をパターニングするステップを、有している。ここまでの処理で、アセンブリは図１３（ｃ）に示す状態となっている。プロセス１０００は、そして、犠牲層１０２０を（少なくとも部分的に）除去するステップと、電流を供給できるよう接続用配線乃至電極１０６０及び１０７０を接続（ボンディング）乃至形成するステップとを、有している。ここまでの処理で、アセンブリは図１３（ｄ）に示す状態となる。このようにして応力固有金属膜１０５０及びＳＭＡ膜１０３０の下方にある犠牲層乃至リリース層１０２０が除去されると、カンチレバー構造がリリースされ（基板１０１０に対する拘束が解かれ）、図１３（ｃ）の段階で応力固有金属膜１０５０内に付与済の応力又は応力勾配によって、カンチレバー構造は例えば位置Ａへと上向きに反り返る。
本発明の一実施形態に係るダイアフラム型ＭＥＭＳデバイス製造方法は、例えば、（ａ）ＳＭＡ膜を堆積させるステップと、（ｂ）堆積した応力固有素材膜乃至応力固有金属膜内に応力又は応力勾配が生じるよう堆積パラメータ又は堆積パラメータ群を制御しつつ応力固有素材膜乃至応力固有金属膜を堆積させるステップと、（ｃ）基板の一部を除去して空洞を形成するステップと、を有する。
本実施形態においては、図１４に例示する通り、シリコン等の基板上にダイアフラム型デバイスを形成するためのプロセス１１００が提供される。このプロセス１１００は、裸のシリコンウェハ等の基板１１１０を準備するステップと、蒸着、気相成長、スパッタリング等の手法により基板１１１０上にＴｉＮｉ膜等のＳＭＡ膜１１２０を堆積させ約４００〜約７００℃のアニーリング温度による従来型アニーリング手法又は２００℃近傍又はそれ未満のアニーリング温度での低温アニーリングプロセスによりアニーリングし結晶化させるステップとを、有している。ここまでの処理で、製造中のデバイス乃至アセンブリは、図１４（ａ）に示す状態となっている。プロセス１０００は、更に、堆積した応力固有金属膜１１３０内に所望の応力又は応力勾配が生じるよう（例えば底面寄りでは圧縮応力となり頂面寄りでは引張応力となるよう）堆積パラメータ又は堆積パラメータ群を制御しつつＮｉやＭｏＣｒ等による一層又は複数層の応力固有金属膜１１３０を一層又は複数層のＳＭＡ膜１１２０上に堆積させるステップを、有している。ここまでの処理で、アセンブリは図１４（ｂ）に示す状態となっている。プロセス１０００は、そして、応力固有金属膜１１３０及びＳＭＡ膜１１２０をパターニングし空洞が形成されるよう基板１１１０の一部を除去し電流を供給できるよう接続用配線乃至電極１１４０及び１１５０を接続（ボンディング）乃至形成するステップを、有している。ここまでの処理で、アセンブリは図１４（ｃ）に示す状態となる。このようにして得られるダイアフラム構造は、応力固有金属膜１１３０内に付与されている応力又は応力勾配によって下向き又は上向きに曲がり又は変位する。
基板がＳＭＡ膜のアニーリングに使用する温度に耐えられないときや、ＳＭＡ膜と応力固有金属膜の配置順序を入れ替える必要があるときには、トランスファ（転写）プロセス乃至リフトオフ（剥離）プロセスを使用すればよい。図１５に、ＳＭＡ／応力固有金属製ダイアフラム構造を転写法により実現するプロセスとして、プロセス１２００を例示する。このプロセス１２００は、裸のシリコンウェハ等の仮基板１２１０を準備するステップと、アモルファスシリコンやＰＳＧ等の犠牲層１２２０を仮基板１２１０上に堆積させるステップとを、有している。ここまでの処理で、アセンブリは図１５（ａ）に示す状態となっている。プロセス１２００は、更に、蒸着、気相成長、スパッタリング等の手法により犠牲層１２２０上にＴｉＮｉ膜等のＳＭＡ膜１２３０を堆積させアニーリングして結晶化させるステップと、堆積した応力固有金属膜１２４０内に所望の応力又は応力勾配が生じるよう（例えば底面寄りでは引張応力となり頂面寄りでは圧縮応力となるよう）堆積パラメータ又は堆積パラメータ群を制御しつつＮｉやＭｏＣｒ等による一層又は複数層の応力固有金属膜１２４０を一層又は複数層のＳＭＡ膜１２３０上に堆積させそれぞれその一部が除去されるようＳＭＡ膜１２３０及び応力固有金属膜１２４０をパターニングするステップとを、有している。ここまでの処理で、アセンブリは図１５（ｂ）に示す状態となっている。プロセス１２００は、更に、ターゲット基板１２５０と応力固有金属膜１２４０との間に位置するよう形成乃至配置されたボンディング層１２６０を有する最終的なターゲット基板１２５０に対して応力固有金属膜１２４０を薄膜金属共晶ボンディング等の手法により接続（ボンディング）乃至固定するステップを、有している。ここまでの処理で、アセンブリは図１５（ｃ）に示す状態となっている。プロセス１２００は、そして、犠牲層１２２０をエッチングにより除去して応力固有金属膜１２４０及びＳＭＡ膜１２３０を含むアセンブリを仮基板１２１０から分離させるステップと、最終的なターゲット基板１２５０をパターニングすることにより空洞を形成するステップと、接続用配線乃至電極（導体）１２７０及び１２８０を接続乃至形成するステップとを、有している。ここまでの処理で、アセンブリは図１５（ｄ）に示す状態となる。このようにして得られるダイアフラム構造は、応力固有金属膜１２４０内に付与されている応力又は応力勾配によって下向き又は上向きに曲がり又は変位する。自明なことに、カンチレバー構造も、これと同様のプロセスで形成することができる。カンチレバー構造を形成するには、例えば、第２犠牲層が除去されたときにデバイスがリリースされカンチレバー状となるよう応力固有金属膜との固定に先立ってターゲット基板上に第２犠牲層を設け、応力固有金属膜との固定後に第２犠牲層を少なくとも部分的に除去すればよい。
本願にてこれまで繰り返し述べてきたように、本発明は何個かの層をパターニングする形態で実施できる。本件技術分野における習熟者であれば認め得るように、パターニングに際しては、何個かの層について面仕上げ処理等の付加的工程が実施される。この付加的工程は本発明の実施に当たって肝要なものではなく、当該付加的工程の有無や内容は、デバイス乃至システムの製品が用いられる用途次第で変わる。
図１６に、応力固有金属層としてＭｏＣｒ膜をまたＳＭＡ層として１．７５μｍ厚のＴｉＮｉ膜を用いたカンチレバー型アクチュエータについて、曲げ曲線を示す。後に説明する通り、この図中、「低温（弾性のみ）」は、冷間状態乃至低温状態におけるＴｉＮｉについての機械的特性データを用い且つＴｉＮｉ膜では弾性変形しか生じないと仮定して計算した曲げ曲線を、「低温（塑性のみ）」は、冷間状態乃至低温状態におけるＴｉＮｉについての機械的特性データを用い且つＴｉＮｉ膜では塑性変形しか生じないと仮定して計算した曲げ曲線を、「高温」は、加熱状態乃至高温状態におけるＴｉＮｉについての機械的特性データを用い且つＴｉＮｉ膜では弾性変形しか生じないと仮定して計算した曲げ曲線を、それぞれ表している。読み取れるように、冷間状態における曲げ曲線と加熱状態における曲げ曲線との間には大きな差があり、従ってこのデバイスはアクチュエータとして使用できる。
ここでは、冷間状態における先端乃至末端点の縦方向位置と加熱状態における先端乃至末端点の縦方向位置との差を、アクチュエータの（合計）先端変位量と定義する。図１７に、ＴｉＮｉ膜厚に対する先端変位量の依存関係を示す。
この図中、「弾性変形のみを考慮」は、冷間状態における曲げ曲線を計算するときにＳＭＡ膜たるＴｉＮｉ膜では弾性変形しか生じないと仮定したことを、表している。この仮定の下では、冷間状態での曲げ曲線と加熱状態での曲げ曲線との相違分即ち先端変位量は、マルテンサイト相（冷間状態）におけるヤング率とオーステナイト相（加熱状態）におけるヤング率との差のみによって生じる。但し、マルテンサイト相における降伏強さは非常に弱くＴｉＮｉ膜内で降伏強さより強い応力が発生し得るため、この応力又はその勾配によって塑性変形が生じてより大きな構造的変形が生じることがあり得る。そのため、計算によって得られる曲げ曲線から、ＴｉＮｉ膜内における平均応力を計算することもできる。
また、この図中、「塑性変形のみを考慮」は、冷間状態における曲げ曲線を計算するときにＳＭＡ膜たるＴｉＮｉ膜では塑性変形しか生じないと仮定したことを、表している。この仮定の下では、ＴｉＮｉ膜においては、ヤング率が０であり曲げに抗する応力は１１０ＭＰａともなり得る。なお、このような極端な仮定をおいて解析を行ったのは、塑性変形及び弾性変形の双方を考慮に入れて曲げ曲線を計算することが相当にやっかいなことであるためである。
弾性変形のみを考慮して行った計算の結果は変位量の下限を、また塑性変形のみを考慮して行った計算の結果は変位量の上限を、表している。即ち、実際の変位量は、弾性変形のみを考慮して計算した変位量と、塑性変形のみを考慮して計算した変位量との間にある。現実的な仮定として、実際の変位量はこれら下限及び上限の平均である、との仮定を置いた場合、図１７から、ＴｉＮｉ膜の最適厚みが１．７５μｍ近傍であることや、１．７５μｍ近傍の厚みを有するＴｉＮｉ膜を用いれば先端変位量が約１０３μｍになることを、読み取ることができる。
また、本発明は、熱アクチュエータ機能が組み込まれたカンチレバー型ＭＥＭＳアクチュエータとして実施することができる。バイメタルストリップによりカンチレバー型熱アクチュエータを構成する場合、この熱アクチュエータの曲率半径Ｒは各層の熱膨張係数α１及びα２、温度変化幅ΔＴ、各層のヤング率Ｙ１及びＹ２、各層の慣性モーメントＩ１及びＩ２、各層の厚みｔ１及びｔ２並びに合計厚みｔから計算することができ、先端変位量δは曲率半径Ｒ及びカンチレバー長Ｌから計算できる。従って、本発明の実施形態に係るカンチレバー型ＭＥＭＳアクチュエータの熱アクチュエータ部分をＳｉ／Ａｌ熱アクチュエータとして構成する場合、曲率半径Ｒの計算の基礎となる量のうちヤング率Ｙ１及びＹ２並びに熱膨張係数α１及びα２としては、Ｓｉのヤング率（１６６ＧＰａ）及び熱膨張係数（２．８ｐｐｍ／℃）並びにＡｌのヤング率（７０ＧＰａ）及び熱膨張係数（２３．１ｐｐｍ／℃）を用いればよく、また慣性モーメントＩ１及びＩ２としては、形状、素材及び質量から決まる値を用いればよい。また、ＭＥＭＳアクチュエータを構成するＳＭＡ膜がＴｉＮｉ膜であればその相転移温度は通常は６０〜７５℃であるから、熱アクチュエータにおける温度変化幅ΔＴは室温（２０℃）から８０℃までの６０℃あれば十分である。更に、カンチレバー型熱アクチュエータの長さＬは５００μｍ、合計厚みｔは３．７５μｍと仮定することができる。このような仮定の下に各層厚みｔ１及びｔ２を変化させて計算を行えば、Ｓｉ／Ａｌ熱アクチュエータ機能が組み込まれたカンチレバー型ＭＥＭＳアクチュエータの実施形態について、熱アクチュエーションによる先端変位量δがＳｉ層厚に対して有している依存関係を知ることができる。図１８に、この計算の結果を示す
この図から読み取れるように、最適な構造は、Ｓｉ層の厚みが１．５μｍ近傍（従ってＡｌ層の厚みが２．２５μｍ近傍）であり先端変位量δが６０．３μｍとなる構造である。幅が１００μｍであると仮定すると、本件技術分野における習熟者に知られている固体力学乃至材料力学上の原理に従い、１．１Ｎ／ｍというバネ定数計算値が得られる。
また、応力固有素材層及び形状記憶素材層を含む二層又は多層構造に代えて、応力固有素材層及び圧電素材層を含み形状記憶素材層を含まない二層又は多層構造によっても、本発明を実施することができる。図１９に、本発明の一実施形態に係るデバイス乃至システム１５００を示す。このデバイス乃至システム１５００は、応力固有金属層等の応力固有素材層１５１０及びジルコン酸チタン酸鉛等の素材による圧電素材層１５２０を有しており、その一端は基板１５３０によりしっかりと保持されている。応力固有素材層１５１０に対し機械的負荷を与えるべく当該応力固有素材層１５１０に近接配置されている圧電素材層１５２０は、厚み方向にそって分極された層であり、電極印加に伴い物理的特性が変化したときデバイス乃至システム１５００はリリース後状態と異なる別の状態へと随時逆転可能に変形する。即ち、まず、応力固有素材層１５１０に内在する応力又は応力勾配によって、このデバイス乃至システム１５００は、リリース後状態(post-release state)乃至初期変形（曲げ）状態たる状態Ａへとバイアスされている。この状態から、圧電素材層１５２０の分極方向と同じ方向を有する電界が圧電素材層１５２０に印加されると、この電界によって圧電素材層１５２０が厚み方向に沿って膨張し且つ長さ方向に沿って収縮し、その結果デバイス乃至システム１５００の曲がり方が小さくなってその状態が状態Ｂへと移行する。逆に、圧電素材層１５２０の分極方向と異なる方向を有する電界が圧電素材層１５２０に印加されると、この電界によって圧電素材層１５２０が厚み方向に沿って収縮し且つ長さ方向に沿って膨張し、その結果デバイス乃至システム１５００の曲がり方が大きくなってその状態が状態Ｃへと移行する。また、圧電素材層１５２０に交流電界が印加されると、デバイス乃至システム１５００の状態は状態Ｂと状態Ｃとの間を行き来する。なお、電磁界の印加によりその物理的特性が変化し得る素材としては圧電素材の他に電歪素材や磁歪素材もあり、従って圧電素材層１５２０に代えて又はこれと共に、電歪素材層、磁歪素材層又はその双方を設けることもできる。
更に、応力固有素材層及び形状記憶素材層を含む二層又は多層構造に代えて、形状記憶素材のみを用いる単層又は多層構造によっても、本発明を実施することができる。図２０に、本発明の一実施形態に係るデバイス乃至システム１６００を示す。このデバイス乃至システム１６００で用いられている層はＳＭＡ層１６１０のみであり、このＳＭＡ層１６１０によって形成されている単層構造の一端は、基板１６２０によりしっかりと保持されている。ＳＭＡ層１６１０の内部には応力勾配１６３０が存在しており、デバイス乃至システム１６００を構成する単層構造は、この応力勾配１６３０によって初期変形状態乃至初期曲げ状態Ａへとバイアスされている。温度が変化しＳＭＡ層１６１０にマルテンサイトオーステナイト相転移が生じると、この単層構造の状態は別の変形状態乃至曲げ状態Ｂへと変化する。ＳＭＡ層１６１０は低温時にはマルテンサイト相に属しており延性が高い状態であるため、状態ＡにおけるＳＭＡ層１６１０の曲がり具合は状態Ｂにおけるそれに比べて大きくなる。このように、温度変化に伴いその機械的特性又は応力勾配が変化したときに初期変形状態とは異なる別の変形状態にする形状記憶素材層を一層又は複数層用いて、本発明を実施することができる。
層としてＳＭＡ膜及び応力固有金属膜を含み応力固有金属膜には引張応力又は応力勾配が付与済のカンチレバー型デバイス乃至システムを例示する図である。 層としてＳＭＡ膜、第１応力固有金属膜及び第２応力固有金属膜を含み第１応力固有金属膜には圧縮応力がまた第２応力固有金属膜には引張応力がそれぞれ付与済のカンチレバー型デバイス乃至システムを例示する図である。 層としてＳＭＡ膜、第１応力固有金属膜、第２応力固有金属膜及び圧電素材層を含むカンチレバー型デバイス乃至システムを例示する図である。 層としてＳＭＡ膜及び応力固有金属膜を含み応力固有金属膜には引張応力が付与済のダイアフラム型デバイス乃至システムを例示する図である。 層としてＳＭＡ膜、第１応力固有金属膜及び第２応力固有金属膜を含み第１応力固有金属膜には圧縮応力がまた第２応力固有金属膜には引張応力がそれぞれ付与済のダイアフラム型デバイス乃至システムを例示する図である。 層としてＳＭＡ膜、第１応力固有金属膜及び第２応力固有金属膜を含み第１応力固有金属膜には引張応力がまた第２応力固有金属膜には圧縮応力がそれぞれ付与済のダイアフラム型デバイス乃至システムを例示する図である。 層としてＳＭＡ膜、応力固有金属膜及びそれらの間の非常に薄い誘電体層を含むカンチレバー型デバイス乃至システムを例示する図である。 図７に例示した構造における自由端の詳細を示す図である。 アセンブリの長手方向に沿って設けられた狭くて長い開口部を有するカンチレバー型デバイス乃至システムの頂面を模式的に例示する図である。 図９に例示したアセンブリにおける冷間状態及び加熱状態を示す図である。 非破壊フューズ機能を有する応力固有金属／ＳＭＡ製プローブを示す図である。 熱アクチュエーション機能と形状記憶素材／応力固有金属アクチュエーション機能とを組み合わせて利用するカンチレバー型デバイス乃至システムを例示する図である。 応力固有金属／ＳＭＡ製カンチレバー型マイクロデバイス乃至システムを基板上に形成する方法の各ステップを例示する図である。 応力固有金属／ＳＭＡ製ダイアフラム型マイクロデバイス乃至システムを基板上に形成する方法の各ステップを例示する図である。 応力固有金属／ＳＭＡ製ダイアフラム型マイクロデバイス乃至システムを転写法によって形成する方法の各ステップを例示する図である。 応力固有金属としてＭｏＣｒをまたＳＭＡとしてＴｉＮｉを用いたカンチレバー型アクチュエータについて曲げ曲線を示す図である。 カンチレバー型デバイス乃至システムにおける先端変位量とＴｉＮｉ膜厚との関係を例示する図である。 Ｓｉ／Ａｌ熱アクチュエータにおける先端変位量とＳｉ層厚との関係を例示する図である。 層として応力固有金属膜及び圧電素材層を含むカンチレバー型デバイス乃至システムを例示する図である。 層として固有応力勾配を有するＳＭＡ膜のみを含むカンチレバー型デバイス乃至システムを例示する図である。

Claims (7)

  1. 少なくとも一種類の形状記憶素材を堆積させて少なくとも一の薄い形状記憶素材膜を成膜し、
    少なくとも一種類の応力固有素材を堆積させて少なくとも一の薄い応力固有素材膜を成膜し、
    応力固有素材膜を形状記憶素材膜に並んで配置し、
    応力固有素材膜は、その形成時に固有の応力勾配を付与され、
    応力固有素材膜に固有の応力勾配によって初期変形状態へと戻るデバイスの製造方法。
  2. 請求項１に記載のデバイスの製造方法であって、
    前記形状記憶膜は、相遷移温度よりも温度が高い状態のヤング率及び降伏応力が相遷移温度よりも温度が低い状態のヤング率及び降伏応力よりも大きくなる少なくとも一種類の形状記憶素材を含み、
    前記相遷移温度よりも温度が低い場合には、前記形状記憶素材膜の前記応力固有素材膜に付与する応力勾配が前記応力固有素材膜に固有の応力勾配より小さく、前記応力固有素材膜に固有の応力勾配によって規定される第１の変形状態となり、
    前記相遷移温度よりも温度が高い場合には、前記形状記憶素材膜の前記応力固有素材膜に付与する応力勾配が前記応力固有素材膜に固有の応力勾配よりも大きく、前記形状記憶素材膜によって規定される前記第１の変形状態と異なる第２の変形状態となり、
    前記第１の変形状態と前記第２の変形状態とを繰り返すデバイスの製造方法。
  3. 請求項２に記載のデバイスの製造方法であって、
    前記デバイスは、前記形状記憶素材膜と、前記応力固有素材膜との間に誘電体膜を挟み込むように配置され、その各一端が基板に固定されたカンチレバー型アクチュエータであり、
    一端の前記形状記憶素材膜と前記応力固有素材膜とにはそれぞれ電極が接続され、
    他端の前記形状記憶素材膜と前記応力固有素材膜のみが導通するように接触していること、
    を特徴とするデバイスの製造方法。
  4. 請求項２に記載のデバイスの製造方法であって、
    前記デバイスは、その周縁が基板に固定されたダイアフラム型アクチュエータであり、
    周縁の対向する２点の前記形状記憶素材膜にそれぞれ電極が接続されていること、
    を特徴とするデバイスの製造方法。
  5. 基板を準備するステップと、
    基板上に犠牲層を堆積させるステップと、
    相遷移温度よりも温度が高い状態のヤング率及び降伏応力が相遷移温度よりも温度が低い状態のヤング率及び降伏応力よりも大きくなる形状記憶合金膜を堆積させアニーリングするステップと、
    堆積した応力固有素材膜内に応力勾配が生じるよう堆積パラメータ又は堆積パラメータ群を制御しつつ応力固有素材膜を堆積させるステップと、
    基板から形状記憶合金膜及び応力固有素材膜の一部が分離して多層構造を有するデバイスが形成されるよう犠牲層を少なくとも部分的に除去するステップと、を有するデバイスを製造する方法であって、
    前記形状記憶合金膜と応力固有素材膜とは、前記相遷移温度よりも温度が低い場合には、前記形状記憶合金膜の前記応力固有素材膜に付与する応力勾配が前記応力固有素材膜に固有の応力勾配よりも小さく、前記応力固有素材膜に固有の応力勾配によって規定される第１の変形状態となり、相遷移温度よりも温度が高い場合には、前記形状記憶合金膜の前記応力固有素材膜に付与する応力勾配が前記応力固有素材膜に固有の応力勾配よりも大きく、前記形状記憶合金膜によって規定される前記第１の変形状態と異なる第２の変形状態とするよう堆積、アニーリングされること、
    を特徴とするデバイスを製造する方法。
  6. 請求項５に記載のデバイスを製造する方法であって、
    空洞が形成されるよう基板素材をパターニングするステップを有し、
    少なくとも一の薄い前記形状記憶合金膜及び少なくとも一の薄い応力固有素材膜を含み、
    前記デバイスは、カンチレバー型またはダイアフラム型のデバイスを製造する方法。
  7. 請求項５または６に記載のデバイスを製造する方法であって、
    仮基板の上に犠牲層を堆積させるステップと、
    前記形状記憶合金膜を堆積させアニーリングするステップと、
    前記基板を前記応力固有素材膜に固定するステップと、
    前記犠牲層及び前記仮基板を除去するステップと、
    を有するデバイスを製造する方法。
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