JP2012028056A - Electromechanical switch and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電子機械スイッチ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an electromechanical switch and a manufacturing method thereof.
電子機械システムにおいて、システムを構成する構造体のスケールがマイクロメートル程度のものをマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）といい、更に、ナノメートル程度のものをナノ電子機械システム（ＮＥＭＳ：Ｎａｎｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）という。 In an electromechanical system, a structure constituting the system having a scale of about a micrometer is called a micro-electromechanical system (MEMS), and a nanometer-scale structure is a nanoelectromechanical system (NEMS). It is called Nano-electromechanical system).
これらの電子機械システムには、例えば、マイクロ電子機械スイッチ（ＭＥＭＳスイッチ：Ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｓｗｉｔｃｈ）やナノ電子機械スイッチ（ＮＥＭＳスイッチ：Ｎａｎｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｓｗｉｔｃｈ）がある。 These electromechanical systems include, for example, a micro-electromechanical switch (MEMS switch) and a nano-electromechanical switch (NEMS switch: Nano-electromechanical system switch).
これらの電子機械スイッチは、例えば、無線通信領域、ディジタルロジック回路、メモリデバイス、およびセンサなどの様々な応用分野に実用化されている。
特に、無線通信用高周波向けの電子機械スイッチ技術の開発は、次世代の無線ＬＡＮや携帯電話に代表される次世代無線端末の開発に向けて、不可欠となっている。
These electromechanical switches have been put into practical use in various application fields such as wireless communication areas, digital logic circuits, memory devices, and sensors.
In particular, the development of high-frequency electromechanical switch technology for wireless communication is indispensable for the development of next-generation wireless terminals represented by next-generation wireless LANs and mobile phones.
従来の電子機械スイッチの多くは、シリコン、金属等の材料で形成されている。そのため、材料の種類に起因する機械的、化学的及び熱的な性質が悪く、信頼性及び耐久性に劣り、駆動電圧が高く、スイッチング速度が遅い等の欠点がある。
具体的には、従来の電子機械スイッチは、以下のような欠点がある。
（１）固着（スティクション：Ｓｔｉｃｔｉｏｎ）性：電子機械スイッチの接点の表面が親水性なので、接点での固着性が高く、電子機械スイッチが動作不良を起こす場合がある。
（２）機械摩耗性：電子機械スイッチが機械摩耗して、破損が発生し易く、耐久性が低い。
（３）駆動電圧：電子機械スイッチの駆動電圧が数十〜数百Ｖと高く、他の半導体素子との併用が困難である。
（４）スイッチング時間：電子機械スイッチのスイッチング時間がマイクロ秒以上であり、比較的遅い。
（５）耐電力性：電子機械スイッチの耐電力性が低く、印加電力を大きくすると、接点で溶解や付着が生じる場合あり、電力を高めることができない。
Many of the conventional electromechanical switches are made of materials such as silicon and metal. Therefore, there are disadvantages such as poor mechanical, chemical and thermal properties due to the type of material, poor reliability and durability, high driving voltage, and slow switching speed.
Specifically, the conventional electromechanical switch has the following drawbacks.
(1) Sticking property: Since the surface of the contact point of the electromechanical switch is hydrophilic, the sticking property at the contact point is high, and the electromechanical switch may malfunction.
(2) Mechanical wear: The electromechanical switch is mechanically worn and easily damaged, and its durability is low.
(3) Driving voltage: The driving voltage of the electromechanical switch is as high as several tens to several hundreds V, and it is difficult to use together with other semiconductor elements.
(4) Switching time: The switching time of the electromechanical switch is not less than microseconds and is relatively slow.
(5) Power durability: When the power resistance of the electromechanical switch is low and the applied power is increased, melting or adhesion may occur at the contact, and the power cannot be increased.
近年、電子機械スイッチ技術は大きく進歩し、カーボンナノチューブやグラフェン材料を用いた電子機械スイッチ等が開発されている。
例えば、非特許文献１には、カーボンナノチューブ及びボトムアップ技術を利用したナノ電子機械スイッチが開示されており、非特許文献２には、グラフェン材料及びボトムアップ技術を利用したナノ電子機械スイッチが開示されている。
In recent years, electromechanical switch technology has greatly advanced, and electromechanical switches using carbon nanotubes or graphene materials have been developed.
For example, Non-Patent Document 1 discloses a nanoelectromechanical switch using carbon nanotubes and bottom-up technology, and Non-Patent Document 2 discloses a nanoelectromechanical switch using graphene material and bottom-up technology. Has been.
しかし、カーボンナノチューブ又はグラフェン材料を利用したナノ電子機械スイッチの作製工程は複雑であり、作製工程の制御性が低く、所望の性能のナノ電子機械スイッチを作製することが困難である。 However, the manufacturing process of a nano electromechanical switch using a carbon nanotube or graphene material is complicated, the controllability of the manufacturing process is low, and it is difficult to manufacture a nano electromechanical switch having a desired performance.
また、接点被覆技術により、固着性又は機械摩耗性のいずれか一方を解決することができるが、固着性と機械摩耗性を同時に解決することは困難である。
このように、依然として、上記（１）〜（５）の問題は、電子機械スイッチの実用化のための克服すべき課題となっている。
In addition, although either the sticking property or the mechanical wear property can be solved by the contact coating technique, it is difficult to solve the sticking property and the mechanical wear property at the same time.
As described above, the problems (1) to (5) are still problems to be overcome for practical use of the electromechanical switch.
ところで、ダイヤモンドは、弾性定数、機械硬度、熱伝導率及び絶縁性等の特性が様々な物質中で最高値を有する材料である。また、超疏水性の表面及び低い誘電損失も合わせ持つ。更に、ボロンを高濃度ドープすると金属導電性になる。このように、ダイヤモンドの電子機械スイッチの材料としての適性は、カーボンナノチューブ及びグラフェン材料等の既存の材料をはるかに凌駕する。
そのため、ダイヤモンドを用いることにより、上記（１）〜（５）の問題を解決でき、高速で、省エネルギー、大電力及び高信頼性の電子機械スイッチを実現できる可能性がある。
By the way, diamond is a material having the highest value among various substances such as elastic constant, mechanical hardness, thermal conductivity, and insulation. It also has a superhydrophobic surface and low dielectric loss. Furthermore, when boron is doped at a high concentration, the metal becomes conductive. Thus, the suitability of diamond as a material for electromechanical switches far surpasses existing materials such as carbon nanotubes and graphene materials.
Therefore, by using diamond, the above problems (1) to (5) can be solved, and there is a possibility that an electromechanical switch with high speed, energy saving, high power and high reliability can be realized.
特許文献１、２は、ダイヤモンド多結晶を用いた電子機械スイッチの技術の報告例である。
特許文献１は、ダイヤモンドブリッジまたはダイヤモンドカンチレバーとその製造方法並びに該ダイヤモンドブリッジまたはダイヤモンドカンチレバーを使用した電子デバイスに関するものであり、シリコン等の基板上に成膜した多結晶ダイヤモンド膜を用いて、シリコン上の酸化膜を除去して多結晶ダイヤモンド膜と基板との間にエアギャップを形成する構造を得る方法が開示されている。
Patent Documents 1 and 2 are report examples of electromechanical switch technology using polycrystalline diamond.
Patent Document 1 relates to a diamond bridge or a diamond cantilever, a manufacturing method thereof, and an electronic device using the diamond bridge or the diamond cantilever, and uses a polycrystalline diamond film formed on a substrate such as silicon to A method for obtaining a structure in which an air gap is formed between a polycrystalline diamond film and a substrate by removing the oxide film is disclosed.
特許文献２は、ＵＮＣＤ素子（Ｕｌｔｒａｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｄｉａｍｏｎｄ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｗｉｄｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｒａｎｇｅ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ／ｖｉｂｒａｔｉｏｎ／ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ）に関するものであり、超微細粒ダイヤモンド（ＵＮＣＤ）薄膜を応用した技術が開示されている。 Patent Document 2 relates to an UNCD element (Ultrananocrystalline linewidth dynamic dynamic acceleration / vibration / pressure sensor), which is a technique in which an ultrafine diamond (UNCD) thin film is applied.
しかし、特許文献１、２に開示の電子機械スイッチの作製プロセスは、シリコン等の基板上に酸化物薄膜（例えばＳｉＯ２）犠牲層をあらかじめ傷つけて処理してから、多結晶またはナノ結晶ダイヤモンドを選択成長させて、多結晶およびナノダイヤモンドのＭＥＭＳ可動構造体からなる電子機械スイッチを作製するものである。
そのため、この作製プロセスは高温環境を必要とし、かつ、複雑であるので、固着性、機械摩耗性、駆動電圧、スイッチング時間及び耐電力性等の特性が安定した電子機械スイッチを製造することが困難であり、これらの特性の再現性も低い。
However, the fabrication process of the electromechanical switch disclosed in Patent Documents 1 and 2 is that a sacrificial layer of an oxide thin film (for example, SiO 2 ) is previously damaged on a substrate such as silicon, and then polycrystalline or nanocrystalline diamond is processed. An electromechanical switch composed of polycrystalline and nanodiamond MEMS movable structures is produced by selective growth.
Therefore, since this manufacturing process requires a high temperature environment and is complicated, it is difficult to manufacture an electromechanical switch having stable characteristics such as adhesion, mechanical wear, driving voltage, switching time, and power durability. The reproducibility of these characteristics is also low.
多結晶およびナノダイヤモンドではなく、単結晶ダイヤモンドを用いて電子機械スイッチを作製することにより、固着性、機械摩耗性、駆動電圧、スイッチング時間及び耐電力性等の特性が安定にすれば、高信頼性・高性能な電子機械スイッチを実現できる可能性がある。
しかし、単結晶ダイヤモンドの電子機械スイッチを作製するプロセスについては報告がなく、電子機械スイッチ作製のための適切なコンセプトもない。
High reliability can be achieved by making electromechanical switches using single-crystal diamonds instead of polycrystalline and nanodiamonds to stabilize the properties such as adhesion, mechanical wear, drive voltage, switching time, and power durability. There is a possibility that a high-performance and high-performance electromechanical switch can be realized.
However, there is no report on the process for producing a single crystal diamond electromechanical switch, and there is no appropriate concept for producing an electromechanical switch.
本発明は、単結晶ダイヤモンドのナノまたはマイクロ電子機械スイッチを作製する方法を提供することを課題とする。特に、本発明は、固着（スティクション）性を低減し、機械摩擦性を高めた単結晶ダイヤモンドのナノまたはマイクロ電子機械スイッチを作製する方法を提供することを課題とする。 It is an object of the present invention to provide a method for fabricating nanocrystalline or microelectromechanical switches of single crystal diamond. In particular, it is an object of the present invention to provide a method for producing a nanocrystalline or microelectromechanical switch of single crystal diamond with reduced sticking properties and enhanced mechanical friction properties.
本発明者らは、上記背景に鑑み、単結晶ダイヤモンド基板に高いエネルギーイオンを注入して、グラファイト改質層（犠牲層の役目を果たす）を形成してから、前記グラファイト改質層を選択的にエッチング除去して、横方向電界によるスイッチ操作方式による電子機械スイッチデバイスを作製する方法を開発した。
なお、この目的のために、標準的な半導体プロセス技術として、ホモエピタキシャル成長、フォトリソグラフィおよび電子線リソグラフィ、およびドライエッチングとウェットエッチング技術を使用している。
In view of the above-mentioned background, the inventors selectively implant the graphite modified layer after implanting high energy ions into the single crystal diamond substrate to form a graphite modified layer (acting as a sacrificial layer). We have developed a method to fabricate an electromechanical switch device using a switch operation method using a lateral electric field.
For this purpose, homoepitaxial growth, photolithography and electron beam lithography, and dry etching and wet etching techniques are used as standard semiconductor process techniques.
提案するスイッチデバイスの一つは、エアギャップ構造を持ち、ソースに一端が固定されている可動構造体（カンチレバー）を有する３端子の電子機械デバイスであり、前記エアギャップを介して配置されたゲート電極へ電圧を印加して静電気引力を制御することにより、前記可動構造部を可動させてドレインに接触させ、ソース−ドレイン電流をスイッチングする原理を有する。
本発明は、以下の構成を有する。
One of the proposed switch devices is a three-terminal electromechanical device having a movable structure (cantilever) having an air gap structure and one end fixed to a source, and a gate disposed through the air gap. By controlling the electrostatic attraction by applying a voltage to the electrode, the movable structure is moved and brought into contact with the drain to switch the source-drain current.
The present invention has the following configuration.
本発明の電子機械スイッチの製造方法は、ダイヤモンド単結晶基板の内部にグラファイト層を形成する工程と、前記ダイヤモンド単結晶基板の一面を覆うように不純物元素を添加したダイヤモンドエピタキシャル層を形成する工程と、前記一面に溝部を形成して第１の凸部と第２の凸部を形成する工程と、前記グラファイト層を除去して、前記一面との間に空間部が備えられた可動構造部を形成する工程と、前記第１の凸部に第１の電極部を形成するとともに、前記第２の凸部に第２の電極部を形成する工程と、を有することを特徴とする。 The electromechanical switch manufacturing method of the present invention includes a step of forming a graphite layer inside a diamond single crystal substrate, and a step of forming a diamond epitaxial layer to which an impurity element is added so as to cover one surface of the diamond single crystal substrate. Forming a first convex portion and a second convex portion by forming a groove portion on the one surface, and removing the graphite layer to provide a movable structure portion provided with a space portion between the one surface. And forming a first electrode portion on the first convex portion and forming a second electrode portion on the second convex portion.
本発明の電子機械スイッチの製造方法は、前記グラファイト層を形成する工程がイオン注入法によることを特徴とする。
本発明の電子機械スイッチの製造方法は、前記溝部を形成する工程がドライエッチング法によることを特徴とする。
本発明の電子機械スイッチの製造方法は、前記グラファイト層を除去する工程がウェットエッチング法によることを特徴とする。
The method for manufacturing an electromechanical switch of the present invention is characterized in that the step of forming the graphite layer is performed by an ion implantation method.
The method for manufacturing an electromechanical switch of the present invention is characterized in that the step of forming the groove is performed by a dry etching method.
The method for manufacturing an electromechanical switch of the present invention is characterized in that the step of removing the graphite layer is performed by a wet etching method.
本発明の電子機械スイッチの製造方法は、前記溝部の形成の際、前記ダイヤモンド単結晶基板に第３の凸部を形成し、前記第１の電極部及び前記第２の電極部の形成の際、前記第３の凸部に第３の電極部を形成するとともに、前記可動構造部を、一端が固定されず、他端が前記第１の凸部に固定されたカンチレバーとして形成することを特徴とする。 In the method of manufacturing an electromechanical switch of the present invention, a third convex portion is formed on the diamond single crystal substrate when the groove portion is formed, and the first electrode portion and the second electrode portion are formed. The third electrode portion is formed on the third convex portion, and the movable structure portion is formed as a cantilever in which one end is not fixed and the other end is fixed to the first convex portion. And
本発明の電子機械スイッチの製造方法は、前記溝部の形成の際、前記ダイヤモンド単結晶基板に第４の凸部を形成し、前記第１の電極部及び前記第２の電極部の形成の際、前記第４の凸部に第４の電極部を形成するとともに、前記可動構造部を、他端が前記第１の凸部に固定され、一端が前記第４の凸部に固定されたブリッジとして形成することを特徴とする。 In the manufacturing method of the electromechanical switch of the present invention, when the groove portion is formed, a fourth convex portion is formed on the diamond single crystal substrate, and when the first electrode portion and the second electrode portion are formed. A bridge in which a fourth electrode portion is formed on the fourth convex portion, the movable structure portion is fixed to the first convex portion, and the other end is fixed to the fourth convex portion. It is characterized by forming as.
本発明の電子機械スイッチは、ダイヤモンド単結晶基板の一面に、前記一面から突出された第１の凸部と、前記一面から突出された第２の凸部と、前記第１の凸部に固定され、前記一面との間に空間部が備えられた可動構造部と、を有する電子機械スイッチであって、前記可動構造部が可動して、前記第２の凸部に接触可能とされていることを特徴とする。 An electromechanical switch of the present invention is fixed to one surface of a diamond single crystal substrate, a first protrusion protruding from the one surface, a second protrusion protruding from the one surface, and the first protrusion. And an electromechanical switch having a movable structure portion provided with a space portion between the one surface and the movable structure portion so that the movable structure portion can move and contact the second convex portion. It is characterized by that.
本発明の電子機械スイッチは、前記可動構造部が、不純物元素を添加したダイヤモンドエピタキシャル層を有していることを特徴とする。
本発明の電子機械スイッチは、前記可動構造部が、静電気力により可動可能とされていることを特徴とする。
The electromechanical switch of the present invention is characterized in that the movable structure has a diamond epitaxial layer to which an impurity element is added.
The electromechanical switch of the present invention is characterized in that the movable structure is movable by electrostatic force.
本発明の電子機械スイッチは、前記可動構造部が、一端が固定されず、他端が前記第１の凸部に固定されたカンチレバーであり、前記カンチレバーの一端が、前記一面から突出され、前記第１の凸部と前記第２の凸部との間に形成された第３の凸部に印加された電圧により可動され、前記第２の凸部に接触可能とされていることを特徴とする。 In the electromechanical switch of the present invention, the movable structure is a cantilever in which one end is not fixed and the other end is fixed to the first convex portion, and one end of the cantilever protrudes from the one surface, It is movable by the voltage applied to the 3rd convex part formed between the 1st convex part and the 2nd convex part, and can contact the 2nd convex part, It is characterized by the above-mentioned. To do.
本発明の電子機械スイッチは、前記可動構造部が、他端が前記第１の凸部に固定され、一端が前記一面から突出された第４の凸部に固定されたブリッジであり、前記ブリッジの中央部が、前記第２の凸部に印加された電圧により可動され、前記第２の凸部に接触可能とされていることを特徴とする。 The electromechanical switch of the present invention is a bridge in which the movable structure portion is fixed to the first convex portion at the other end and fixed to a fourth convex portion that protrudes from the one surface. The central portion of the second convex portion is moved by the voltage applied to the second convex portion, and can be brought into contact with the second convex portion.
本発明の電子機械スイッチの製造方法は、ダイヤモンド単結晶基板の内部にグラファイト層を形成する工程と、前記ダイヤモンド単結晶基板の一面を覆うように不純物元素を添加したダイヤモンドエピタキシャル層を形成する工程と、前記一面に溝部を形成して第１の凸部と第２の凸部を形成する工程と、前記グラファイト層を除去して、前記一面との間に空間部が備えられた可動構造部を形成する工程と、前記第１の凸部に第１の電極部を形成するとともに、前記第２の凸部に第２の電極部を形成する工程と、を有する構成なので、全単結晶ダイヤモンドのナノまたはマイクロ電子機械スイッチを作製する方法を提供でき、固着（スティクション）性を低減し、駆動電圧を低くし、機械摩擦性及び耐電力性を高め、スイッチング時間を短時間としたナノまたはマイクロ電子機械スイッチを作製する方法を提供することができる。 The electromechanical switch manufacturing method of the present invention includes a step of forming a graphite layer inside a diamond single crystal substrate, and a step of forming a diamond epitaxial layer to which an impurity element is added so as to cover one surface of the diamond single crystal substrate. Forming a first convex portion and a second convex portion by forming a groove portion on the one surface, and removing the graphite layer to provide a movable structure portion provided with a space portion between the one surface. And forming the first electrode portion on the first convex portion and forming the second electrode portion on the second convex portion. Can provide a method to fabricate nano or micro electromechanical switches, reduce sticking, lower drive voltage, increase mechanical friction and power durability, and shorten switching time Methods for making nano or micro electromechanical switch was capable of providing.
本発明の電子機械スイッチは、ダイヤモンド単結晶基板の一面に、前記一面から突出された第１の凸部と、前記一面から突出された第２の凸部と、前記第１の凸部に固定され、前記一面との間に空間部が備えられた可動構造部と、を有する電子機械スイッチであって、前記可動構造部が可動して、前記第２の凸部に接触可能とされている構成なので、全単結晶ダイヤモンドのナノまたはマイクロ電子機械スイッチを提供でき、固着（スティクション）性を低減し、駆動電圧を低くし、機械摩擦性及び耐電力性を高め、スイッチング時間を短時間としたナノまたはマイクロ電子機械スイッチを提供することができる。また、電子機械スイッチの種々の特性の再現性及び安定性を高め、高い信頼性を持つ超高速スイッチングデバイスを実現することができる。更に、本発明の電子機械スイッチは全単結晶ダイヤモンドを用いて形成されているため、厳しい環境で動作させる耐環境デバイスとして応用することも期待できる。 An electromechanical switch of the present invention is fixed to one surface of a diamond single crystal substrate, a first protrusion protruding from the one surface, a second protrusion protruding from the one surface, and the first protrusion. And an electromechanical switch having a movable structure portion provided with a space portion between the one surface and the movable structure portion so that the movable structure portion can move and contact the second convex portion. The configuration can provide nano- or micro-electromechanical switches of all single crystal diamonds, reduce sticking, reduce drive voltage, increase mechanical friction and power durability, and shorten switching time Nano- or micro-electromechanical switches can be provided. In addition, the reproducibility and stability of various characteristics of the electromechanical switch can be improved, and an ultrafast switching device with high reliability can be realized. Furthermore, since the electromechanical switch of the present invention is formed using all single crystal diamond, it can be expected to be applied as an environment resistant device that operates in a harsh environment.
（本発明の第１の実施形態）
以下、添付図面を参照しながら、本発明の第１の実施形態である電子機械スイッチ及びその製造方法を説明する。
(First embodiment of the present invention)
Hereinafter, an electromechanical switch and a method for manufacturing the same according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
＜電子機械スイッチ＞
まず、本発明の第１の実施形態である電子機械スイッチを説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態である電子機械スイッチの一例を示す斜視図であって、全単結晶ダイヤモンドカンチレバーを用いた３端子の電子機械スイッチの斜視図である。
図２は、図１に示す電子機械スイッチを示す図であって、図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図である。
<Electromechanical switch>
First, the electromechanical switch which is the 1st Embodiment of this invention is demonstrated.
FIG. 1 is a perspective view showing an example of an electromechanical switch according to a first embodiment of the present invention, and is a perspective view of a three-terminal electromechanical switch using an all single crystal diamond cantilever.
2 is a diagram illustrating the electromechanical switch illustrated in FIG. 1, in which FIG. 2A is a plan view, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG. FIG. 2C is a cross-sectional view taken along line BB ′ of FIG.
図２（ａ）に示すように、本発明の第１の実施形態である電子機械スイッチ１０は、平面視略矩形状のソース２１と、平面視略矩形状のドレイン２３と、平面視略矩形状のゲート２２と、平面視略矩形状の可動構造部２４と、を有して概略構成されている。
ソース２１と、ドレイン２３と、ゲート２２と、可動構造部２４は、それぞれ溝部２０ｃによって分離されている。
ソース２１とゲート２２の間の溝部２０ｃの幅は５０ｎｍ〜４００ｎｍとすることが好ましく、１００ｎｍ〜３００ｎｍとすることがより好ましい。
As shown in FIG. 2A, the electromechanical switch 10 according to the first embodiment of the present invention includes a source 21 having a substantially rectangular shape in plan view, a drain 23 having a substantially rectangular shape in plan view, and a substantially rectangular shape in plan view. A gate 22 having a shape and a movable structure 24 having a substantially rectangular shape in plan view are schematically configured.
The source 21, the drain 23, the gate 22, and the movable structure 24 are separated by the groove 20c.
The width of the groove 20c between the source 21 and the gate 22 is preferably 50 nm to 400 nm, and more preferably 100 nm to 300 nm.
図２（ｃ）に示すように、ダイヤモンド単結晶基板２０に溝部２０ｃが設けられ、ダイヤモンド単結晶基板２０の一部が第１の凸部７１、第２の凸部７２、第３の凸部７３とされ、それらの凸面側にダイヤモンドエピタキシャル層２５と金属膜２６が積層されて、それぞれソース２１、ドレイン２３及びゲート２２とされている。 As shown in FIG. 2C, a groove 20c is provided in the diamond single crystal substrate 20, and a part of the diamond single crystal substrate 20 is a first protrusion 71, a second protrusion 72, and a third protrusion. 73, a diamond epitaxial layer 25 and a metal film 26 are laminated on the convex side thereof to form a source 21, a drain 23, and a gate 22, respectively.
ダイヤモンド単結晶基板２０としては、ダイヤモンドからなる絶縁性の単結晶基板が用いられている。より具体的には、例えば、単結晶Ｉｂダイヤモンド基板や単結晶ＩＩａダイヤモンド等が用いられる。
ダイヤモンド単結晶基板２０の面方位は、（１００）面とされている。しかし、これに限定されるものではなく、（１１１）面又は（１１０）面を用いてもよい。
As the diamond single crystal substrate 20, an insulating single crystal substrate made of diamond is used. More specifically, for example, a single crystal Ib diamond substrate or a single crystal IIa diamond is used.
The plane orientation of the diamond single crystal substrate 20 is the (100) plane. However, the present invention is not limited to this, and the (111) plane or the (110) plane may be used.
ダイヤモンドエピタキシャル層２５は、不純物が添加されたダイヤモンドのエピタキシャル層であり、導電性を有する層である。不純物としては、例えば、ボロン等を用いることができる。 The diamond epitaxial layer 25 is a diamond epitaxial layer to which impurities are added, and is a conductive layer. For example, boron or the like can be used as the impurity.
金属膜２６は、特に限られるものではなく、例えば、Ｔｉ／Ａｕからなる２層膜を用いることができる。また、Ｍｏ又はＷ等の金属を用いてもよい。 The metal film 26 is not particularly limited, and for example, a two-layer film made of Ti / Au can be used. Further, a metal such as Mo or W may be used.
図２（ａ）に示すように、可動構造部２４は、平面視板状である。
また、図２（ｂ）に示すように、可動構造部２４は、ダイヤモンド単結晶基板２０とダイヤモンドエピタキシャル層２５との２層構造である。ダイヤモンドエピタキシャル層２５は導電性を有するので、静電気力により、可動構造部２４を変形させることができる構成とされている。
なお、可動構造部２４は、ダイヤモンドエピタキシャル層２５のみで構成してもよい。
As shown in FIG. 2A, the movable structure 24 has a plate shape in plan view.
Further, as shown in FIG. 2B, the movable structure 24 has a two-layer structure of a diamond single crystal substrate 20 and a diamond epitaxial layer 25. Since the diamond epitaxial layer 25 is conductive, the movable structure 24 can be deformed by electrostatic force.
Note that the movable structure 24 may be composed of only the diamond epitaxial layer 25.
可動構造部２４は、カンチレバーとして形成されている。
つまり、可動構造部２４は、ソース２１からダイヤモンド単結晶基板２０の一面２０ａに平行な方向に突出するように形成されている。また、可動構造部２４とダイヤモンド単結晶基板２０の一面２０ａとの間には空間部（エアギャップ）４０ｃが設けられている。更に、可動構造部２４は他端２４ｂが固定され、一端２４ａが固定されていない。これにより、可動構造部２４の変形により、一端２４ａを可動可能とされている。
The movable structure 24 is formed as a cantilever.
That is, the movable structure 24 is formed so as to protrude from the source 21 in a direction parallel to the one surface 20 a of the diamond single crystal substrate 20. A space (air gap) 40 c is provided between the movable structure 24 and the one surface 20 a of the diamond single crystal substrate 20. Further, the movable structure 24 has the other end 24b fixed and the one end 24a not fixed. Thus, the one end 24 a can be moved by deformation of the movable structure 24.
可動構造部２４の長さは１μｍ〜５０μｍとすることが好ましく、１μｍ〜１６μｍとすることがより好ましい。
可動構造部２４の幅は１００ｎｍ〜６μｍとすることが好ましく、１００ｎｍ〜８００ｎｍとすることがより好ましい。
可動構造部２４は平面視略矩形状の板状部材としたが、これに限られるものではなく、例えば、三角形或いは円形自立ダイヤフラムとしてもよい。
The length of the movable structure 24 is preferably 1 μm to 50 μm, and more preferably 1 μm to 16 μm.
The width of the movable structure 24 is preferably 100 nm to 6 μm, and more preferably 100 nm to 800 nm.
The movable structure 24 is a plate-like member having a substantially rectangular shape in plan view, but is not limited thereto, and may be, for example, a triangular or circular self-supporting diaphragm.
＜電子機械スイッチの動作機構＞
図３は、本発明の第１の実施形態である電子機械スイッチ１０の動作機構の一例を示す概略図であって、図３（ａ）はゲート電圧（ＶＧ）を印加していない状態であり、図３（ｂ）はゲート電圧（ＶＧ）を印加した状態を示す図である。
図３（ａ）に示すように、電子機械スイッチ１０のソース２１はアースに接続されている。また、ドレイン２３は、電流計を介してドレイン電源部ＶＤに接続されている。また、ゲート２２は、電流計を介してゲート電源部ＶＧに接続されている。可動構造部２４は、ソース２１に他端２４ｂが固定され、一端２４ａは接続されていない。
<Operating mechanism of electromechanical switch>
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating an example of an operation mechanism of the electromechanical switch 10 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3A illustrates a state in which a gate voltage (V G ) is not applied. FIG. 3B is a diagram showing a state in which the gate voltage (V G ) is applied.
As shown in FIG. 3A, the source 21 of the electromechanical switch 10 is connected to the ground. The drain 23 is connected to the drain power supply unit V D via the ammeter. The gate 22 is connected to the gate power supply unit V G through the ammeter. In the movable structure 24, the other end 24b is fixed to the source 21, and the one end 24a is not connected.
図３（ｂ）に示すように、ソース２１をアースに接続し、ドレイン電源部ＶＤからドレイン２３に電圧を印加した状態で、ゲート電源部ＶＧからゲート２２に電圧を印加すると、不純物が添加されたダイヤモンドエピタキシャル層２５は導電性を有するので、可動構造部２４とドレイン２３との間に静電引力が働き、可動構造部２４の一端２４ａはドレイン２３側に屈曲してドレイン２３に接触する。これにより、電子機械スイッチはＯＮ動作を行う。 As shown in FIG. 3 (b), a source connected 21 to ground, in a state where a voltage is applied to the drain 23 from the drain power supply unit V D, when a voltage is applied to the gate 22 from the gate power supply unit V G, impurities Since the added diamond epitaxial layer 25 has conductivity, electrostatic attraction acts between the movable structure portion 24 and the drain 23, and one end 24 a of the movable structure portion 24 bends toward the drain 23 and contacts the drain 23. To do. Thereby, the electromechanical switch performs the ON operation.
ゲート電源部ＶＧからゲート２２への電圧の値を小さくすることにより、可動構造部２４の一端２４ａはドレイン２３から離れ、図３（ａ）に示す状態に戻る。これにより、電子機械スイッチはＯＦＦ動作を行う。 By reducing the value of voltage to the gate 22 from the gate power supply unit V G, one end 24a of the movable structure 24 moves away from the drain 23, and returns to the state shown in FIG. 3 (a). Thereby, the electromechanical switch performs an OFF operation.
電子機械スイッチ１０のＯＮ動作を行う電圧（以下、プルイン電圧）は、例えば、７０Ｖである。可動構造部２４の長さを長くすること、または、可動構造部２４の一端２４ａとドレイン２３との間の距離（以下、ギャップ幅）を狭くすることにより、前記プルイン電圧を下げることができる。 The voltage for performing the ON operation of the electromechanical switch 10 (hereinafter, pull-in voltage) is, for example, 70V. The pull-in voltage can be lowered by increasing the length of the movable structure 24 or by reducing the distance between the one end 24a of the movable structure 24 and the drain 23 (hereinafter referred to as gap width).
＜電子機械スイッチの製造方法＞
次に、本発明の第１の実施形態である電子機械スイッチの製造方法を説明する。
図４は、本発明の第１の実施形態である電子機械スイッチの製造方法の一例を示すフローチャートである。
図４に示すように、本発明の第１の実施形態である電子機械スイッチの製造方法は、グラファイト層形成工程Ｓ１と、エピタキシャル層形成工程Ｓ２と、溝部形成工程Ｓ３と、グラファイト層除去工程Ｓ４と、電極部形成工程Ｓ５と、を有する。
<Electromechanical switch manufacturing method>
Next, the manufacturing method of the electromechanical switch which is the 1st Embodiment of this invention is demonstrated.
FIG. 4 is a flowchart showing an example of a method for manufacturing the electromechanical switch according to the first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 4, the manufacturing method of the electromechanical switch according to the first embodiment of the present invention includes a graphite layer forming step S1, an epitaxial layer forming step S2, a groove forming step S3, and a graphite layer removing step S4. And electrode part forming step S5.
（グラファイト層形成工程Ｓ１）
図５〜８は、本発明の第１の実施形態である電子機械スイッチの一例を示す製造工程図である。
まず、図５（ａ）に示すように、ダイヤモンド単結晶基板２０の一面２０ａに、第１の開口部４２ｃが設けられた第１のマスク部４２を形成する。
例えば、金属マスクを利用して、第１のマスク部４２を形成することができる。
(Graphite layer forming step S1)
FIGS. 5-8 is a manufacturing process figure which shows an example of the electromechanical switch which is the 1st Embodiment of this invention.
First, as shown in FIG. 5A, a first mask portion 42 provided with a first opening 42 c is formed on one surface 20 a of the diamond single crystal substrate 20.
For example, the first mask portion 42 can be formed using a metal mask.
次に、図５（ｂ）に示すように、イオン注入法を用いて、一面２０ａ側からダイヤモンド単結晶基板２０にイオンを注入して、ダイヤモンド単結晶基板２０の内部にグラファイト層４０を形成する。
グラファイト層４０は、一面２０ａから所定の距離だけ離間して形成される。
前記所定の距離は、イオン注入条件の値に応じて、任意の距離に設定される。
Next, as shown in FIG. 5B, ions are implanted into the diamond single crystal substrate 20 from the one surface 20 a side using an ion implantation method to form a graphite layer 40 inside the diamond single crystal substrate 20. .
The graphite layer 40 is formed at a predetermined distance from the one surface 20a.
The predetermined distance is set to an arbitrary distance according to the value of ion implantation conditions.
イオン注入条件は、電子機械スイッチの構造に応じて任意に設定する。
注入するイオン種としては、アルゴン、酸素イオン等を用いることが好ましく、カーボンを用いることがより好ましい。
また、イオンエネルギーとしては１００ｋｅＶ以上５ＭｅＶ以下とすることが好ましく、１７０ｋｅＶ−２ＭｅＶとすることがより好ましい。これにより、ダイヤモンド単結晶基板の表面を損傷しないようにできる。
また、イオン注入角度は０°以上１０°以下とすることが好ましく、５ｏくらいとすることがより好ましい。これにより、イオン注入量は少なくすることができる。
また、イオン注入量は１０１５ｃｍ−２以上とすることが好ましく、１０１６ｃｍ−２とすることがより好ましい。これにより、十分にイオン注入させることができる。
The ion implantation conditions are arbitrarily set according to the structure of the electromechanical switch.
As ion species to be implanted, argon, oxygen ions, or the like is preferably used, and carbon is more preferably used.
The ion energy is preferably 100 keV or more and 5 MeV or less, and more preferably 170 keV-2 MeV. Thereby, the surface of the diamond single crystal substrate can be prevented from being damaged.
The ion implantation angle is preferably 0 ° or more and 10 ° or less, more preferably about 5 ° . Thereby, the amount of ion implantation can be reduced.
Further, the ion implantation amount is preferably 10 15 cm −2 or more, and more preferably 10 16 cm −2 . Thereby, it is possible to sufficiently implant ions.
（エピタキシャル層形成工程Ｓ２）
次に、図５（ｃ）に示すように、一面２０ａに、マイクロ波プラズマ気相成長（ＭＰＣＶＤ）法により、ダイヤモンドからなるエピタキシャル層２５を形成する。なお、このエピタキシャル層２５には、任意の不純物元素を添加する。
不純物元素としては、例えば、ホウ素、燐（リン）等を用いることが好ましく、作製の過程が簡単なため、ホウ素を用いることがより好ましい。
なお、ダイヤモンドからなるエピタキシャル層２５の厚さは、マイクロ波プラズマ気相成長時間の長さを制御して決定する。
(Epitaxial layer forming step S2)
Next, as shown in FIG. 5C, an epitaxial layer 25 made of diamond is formed on one surface 20a by microwave plasma vapor deposition (MPCVD). An arbitrary impurity element is added to the epitaxial layer 25.
As the impurity element, for example, boron, phosphorus (phosphorus), or the like is preferably used, and boron is more preferable because the manufacturing process is simple.
Note that the thickness of the epitaxial layer 25 made of diamond is determined by controlling the length of the microwave plasma vapor phase growth time.
（溝部形成工程Ｓ３）
次に、図６（ａ）に示すように、エピタキシャル層２５の一面２５ａに、第２の開口部３４ｃが設けられた第２のマスク部３４を形成する。
第２のマスク部３４は、金属膜を形成後、フォトリソグラフィ・リフトオフ法によりパターニングしたものを用いる。具体的には、金属膜として、炭化タングステン／金層（ＷＣ／Ａｕ）薄膜を用いる。
なお、図６（ｂ）に示すように、第２の開口部３４ｃは、ソース、ドレイン、ゲート及び可動構造部以外の部分のエピタキシャル層２５を露出させるように設けられている。
(Groove forming step S3)
Next, as shown in FIG. 6A, a second mask portion 34 having a second opening 34 c is formed on one surface 25 a of the epitaxial layer 25.
As the second mask portion 34, a metal film is formed and then patterned by a photolithography lift-off method. Specifically, a tungsten carbide / gold layer (WC / Au) thin film is used as the metal film.
As shown in FIG. 6B, the second opening 34c is provided so as to expose the epitaxial layer 25 in portions other than the source, drain, gate, and movable structure.
次に、第２のマスク部３４を介して、一面２５ａに垂直な方向から、エピタキシャル層２５及びダイヤモンド単結晶基板２０のドライエッチングを行う。これにより、図７（ｂ）に示すように、開口部３４ｃから露出された部分のエピタキシャル層２５をエッチング除去するとともに、ダイヤモンド単結晶基板２０を少なくともグラファイト層の一部を露出させる深さだけエッチング除去する。
これにより、図７（ｃ）に示すように、ダイヤモンド単結晶基板２０に溝部２０ｃを形成して、第１の凸部７１、第２の凸部７２、第３の凸部７３を形成する。
また、図７（ａ）に示すように、ダイヤモンド単結晶基板２０に、開口部３４ｃと平面視略同一形状の溝部２０ｃが形成される。
Next, the epitaxial layer 25 and the diamond single crystal substrate 20 are dry-etched from the direction perpendicular to the one surface 25 a through the second mask portion 34. As a result, as shown in FIG. 7B, the portion of the epitaxial layer 25 exposed from the opening 34c is removed by etching, and the diamond single crystal substrate 20 is etched by a depth that exposes at least a portion of the graphite layer. Remove.
Thereby, as shown in FIG. 7C, the groove 20c is formed in the diamond single crystal substrate 20, and the first convex portion 71, the second convex portion 72, and the third convex portion 73 are formed.
Further, as shown in FIG. 7A, a groove 20c having substantially the same shape as the opening 34c in plan view is formed in the diamond single crystal substrate 20.
（グラファイト層除去工程Ｓ４）
次に、硫酸と硝酸の混合溶液に浸漬して、この基板のグラファイト層４０をウェットエッチングする。一定時間ウェットエッチングすることにより、図８に示すように、グラファイト層４０は完全に除去されて、そのあとに空間部４０ｃが形成される。
なお、ウェットエッチングにより、グラファイト層４０と第２のマスク部３４を同時に除去する。
なお、ウェットエッチングに用いる溶液は、硫酸と硝酸の混合溶液に限られるものではなく、硫酸と酸化クロムの混合溶液のような他の酸溶液を用いてもよい。また、酸溶液の代わりに、電気化学方法を用いてもよい。
(Graphite layer removal step S4)
Next, the graphite layer 40 of the substrate is wet etched by dipping in a mixed solution of sulfuric acid and nitric acid. By performing wet etching for a certain period of time, as shown in FIG. 8, the graphite layer 40 is completely removed, and a space 40c is formed thereafter.
The graphite layer 40 and the second mask portion 34 are simultaneously removed by wet etching.
The solution used for wet etching is not limited to a mixed solution of sulfuric acid and nitric acid, and other acid solutions such as a mixed solution of sulfuric acid and chromium oxide may be used. Further, an electrochemical method may be used instead of the acid solution.
（電極部形成工程Ｓ５）
次に、第１の凸部７１、第２の凸部７２及び第３の凸部７３のダイヤモンドエピタキシャル層２５を覆うように金属膜２６を形成して、ソース、ドレイン及びゲートを形成する。
金属膜２６は、蒸着法又はスパッタ法により、マスクを用いて金属を成膜することにより形成することができる。
以上の工程により、図１及び図２に示す電子機械スイッチ１０を形成することができる。
(Electrode part forming step S5)
Next, the metal film 26 is formed so as to cover the diamond epitaxial layer 25 of the first protrusion 71, the second protrusion 72, and the third protrusion 73, and the source, drain, and gate are formed.
The metal film 26 can be formed by depositing metal using a mask by vapor deposition or sputtering.
Through the above steps, the electromechanical switch 10 shown in FIGS. 1 and 2 can be formed.
本実施形態では、電子機械スイッチ１０の可動構造体２４としてカンチレバーを形成した。しかし、これに限られるものではなく、他の形状の可動構造体を形成してもよい。他の形状の可動構造体としては、例えば、ブリッジを挙げることができる。
また、本実施形態では、３端子の電子機械スイッチの一例を示したが、これに限られるものではなく、他の形状の電子機械スイッチを形成してもよい。他の形状の電子機械スイッチとしては、例えば、２端子の電子機械スイッチ、又は、点コンタクトデバイスを挙げることができる。
In the present embodiment, a cantilever is formed as the movable structure 24 of the electromechanical switch 10. However, the present invention is not limited to this, and a movable structure having another shape may be formed. Examples of the movable structure having another shape include a bridge.
In the present embodiment, an example of a three-terminal electromechanical switch is shown. However, the present invention is not limited to this, and electromechanical switches having other shapes may be formed. Examples of the electromechanical switch having another shape include a two-terminal electromechanical switch or a point contact device.
本発明の実施形態である電子機械スイッチの製造方法は、ダイヤモンド単結晶基板２０の内部にグラファイト層４０を形成する工程と、ダイヤモンド単結晶基板２０の一面２０ａを覆うように不純物元素を添加したダイヤモンドエピタキシャル層２５を形成する工程と、前記一面２０ａに溝部２０ｃを形成して第１の凸部７１と第２の凸部７２を形成する工程と、グラファイト層４０を除去して、一面２０ａとの間に空間部４０ｃが備えられた可動構造部２４を形成する工程と、第１の凸部７１に第１の電極部２６ｓを形成するとともに、第２の凸部７２に第２の電極部２６ｄを形成する工程と、を有する構成なので、全単結晶ダイヤモンドのナノまたはマイクロ電子機械スイッチを作製する方法を提供でき、固着（スティクション）性を低減し、駆動電圧を低くし、機械摩擦性及び耐電力性を高め、スイッチング時間を短時間としたナノまたはマイクロ電子機械スイッチを作製する方法を提供することができる。また、固着（スティクション）性を低減し、機械摩擦性を高めた単結晶ダイヤモンドの電子機械スイッチを形成することができる。 An electromechanical switch manufacturing method according to an embodiment of the present invention includes a step of forming a graphite layer 40 inside a diamond single crystal substrate 20 and a diamond doped with an impurity element so as to cover one surface 20a of the diamond single crystal substrate 20. A step of forming the epitaxial layer 25; a step of forming the groove 20c on the one surface 20a to form the first convex portion 71 and the second convex portion 72; and removing the graphite layer 40 to form the first surface 20a. The step of forming the movable structure portion 24 provided with the space portion 40c therebetween, the formation of the first electrode portion 26s on the first protrusion 71, and the second electrode portion 26d on the second protrusion 72 A step of forming a nano- or micro-electromechanical switch of all single-crystal diamond, and can provide a low sticking property. And, a drive voltage is low, increase the mechanical friction and power durability can be provided a method of making a short and nano or micro electromechanical switch the switching time. In addition, it is possible to form an electromechanical switch of single crystal diamond with reduced sticking and improved mechanical friction.
本発明の実施形態である電子機械スイッチの製造方法は、グラファイト層４０を形成する工程がイオン注入法による構成なので、所定の位置に容易にグラファイト層４０を形成することができる。 In the method for manufacturing an electromechanical switch according to the embodiment of the present invention, since the process of forming the graphite layer 40 is configured by an ion implantation method, the graphite layer 40 can be easily formed at a predetermined position.
本発明の実施形態である電子機械スイッチの製造方法は、溝部２０ｃを形成する工程がドライエッチング法による構成なので、所定の位置に容易に単結晶ダイヤモンドからなる凸部を形成でき、所望のレイアウトの電子機械スイッチを形成することができる。 In the method of manufacturing the electromechanical switch according to the embodiment of the present invention, the step of forming the groove 20c is configured by the dry etching method. An electromechanical switch can be formed.
本発明の実施形態である電子機械スイッチの製造方法は、グラファイト層４０を除去する工程がウェットエッチング法による構成なので、グラファイト層４０を除去して、可動構造部と基板との間に空間部（エアギャップ）を容易に形成することができる。 In the manufacturing method of the electromechanical switch according to the embodiment of the present invention, since the process of removing the graphite layer 40 is configured by the wet etching method, the graphite layer 40 is removed, and the space ( An air gap can be easily formed.
本発明の実施形態である電子機械スイッチの製造方法は、溝部２０ｃの形成の際、ダイヤモンド単結晶基板２０に第３の凸部７３を形成し、第１の電極部２６ｓ及び第２の電極部２６ｄの形成の際、第３の凸部７３に第３の電極部２６ｇを形成するとともに、可動構造部２４を、一端２４ａが固定されず、他端２４ｂが前記第１の凸部７１に固定されたカンチレバーとして形成する構成なので、所定の位置に容易に単結晶ダイヤモンドからなる凸部を形成でき、所望のレイアウトの電子機械スイッチを形成して、ソース２１とドレイン２３の間のＯＮ−ＯＦＦを行う３端子型の電子機械スイッチを形成することができる。 In the manufacturing method of the electromechanical switch according to the embodiment of the present invention, the third convex portion 73 is formed on the diamond single crystal substrate 20 when the groove portion 20c is formed, and the first electrode portion 26s and the second electrode portion are formed. When forming 26d, the third electrode portion 26g is formed on the third convex portion 73, and the movable structure portion 24 is not fixed at one end 24a and the other end 24b is fixed at the first convex portion 71. Therefore, a convex portion made of single crystal diamond can be easily formed at a predetermined position, an electromechanical switch having a desired layout can be formed, and ON-OFF between the source 21 and the drain 23 can be performed. A three-terminal electromechanical switch can be formed.
本発明の実施形態である電子機械スイッチ１０は、ダイヤモンド単結晶基板２０の一面２０ａに、一面２０ａから突出された第１の凸部７１と、一面２０ａから突出された第２の凸部７２と、第１の凸部７１に固定され、一面２０ａとの間に空間部４０ｃが備えられた可動構造部２４と、を有する電子機械スイッチ１０であって、可動構造部２４の一部が可動して、第２の凸部７２に接触可能とされている構成なので、全単結晶ダイヤモンドのナノまたはマイクロ電子機械スイッチを提供でき、固着（スティクション）性を低減し、駆動電圧を低くし、機械摩擦性及び耐電力性を高め、スイッチング時間を短時間としたナノまたはマイクロ電子機械スイッチを提供することができる。また、電子機械スイッチの種々の特性の再現性及び安定性を高め、高い信頼性を持つ超高速スイッチングデバイスを実現することができる。更に、本発明の電子機械スイッチは全単結晶ダイヤモンドを用いて形成されているため、厳しい環境で動作させる耐環境デバイスとして応用することも期待できる。また、固着（スティクション）性を低減し、機械摩擦性を高めた単結晶ダイヤモンドの電子機械スイッチを形成することができる。 The electromechanical switch 10 according to the embodiment of the present invention includes a first convex portion 71 projecting from the one surface 20a and a second convex portion 72 projecting from the one surface 20a on one surface 20a of the diamond single crystal substrate 20. The electromechanical switch 10 having a movable structure 24 fixed to the first convex portion 71 and provided with a space portion 40c between the first surface 20a, and a part of the movable structure portion 24 is movable. In addition, since it is configured to be able to contact the second convex portion 72, it is possible to provide a nano- or micro-electromechanical switch of all single crystal diamond, to reduce the sticking property, to reduce the driving voltage, It is possible to provide a nano or micro electromechanical switch with improved friction and power durability and a short switching time. In addition, the reproducibility and stability of various characteristics of the electromechanical switch can be improved, and an ultrafast switching device with high reliability can be realized. Furthermore, since the electromechanical switch of the present invention is formed using all single crystal diamond, it can be expected to be applied as an environment resistant device that operates in a harsh environment. In addition, it is possible to form an electromechanical switch of single crystal diamond with reduced sticking and improved mechanical friction.
本発明の実施形態である電子機械スイッチ１０は、可動構造部２４が、不純物元素を添加したダイヤモンドエピタキシャル層２５を有している構成なので、可動構造部２４を静電気力により可動させて接触させる電子機械スイッチとすることができる。 In the electromechanical switch 10 according to the embodiment of the present invention, since the movable structure 24 includes the diamond epitaxial layer 25 to which the impurity element is added, the electrons that move the movable structure 24 by electrostatic force to make contact therewith. It can be a mechanical switch.
本発明の実施形態である電子機械スイッチ１０は、可動構造部２４が、静電気力により可動可能とされている構成なので、ゲート電圧を印加して、可動構造部２４を可動させて、ＯＮ−ＯＦＦを行う電子機械スイッチとすることができる。 The electromechanical switch 10 according to the embodiment of the present invention has a configuration in which the movable structure 24 is movable by electrostatic force. Therefore, the gate voltage is applied to move the movable structure 24 to turn it on and off. An electromechanical switch for performing
本発明の実施形態である電子機械スイッチ１０は、可動構造部２４が、一端２４ａが固定されず、他端２４ｂが第１の凸部７１に固定されたカンチレバーであり、前記カンチレバーの一端２４ａが、一面２０ａから突出され、第１の凸部７１と第２の凸部７２との間に形成された第３の凸部７３に印加された電圧により可動され、第２の凸部７２に接触可能とされている構成なので、ゲート電圧を印加して、可動構造部２４を可動させて、ソース２１とドレイン２３の間のＯＮ−ＯＦＦを行う３端子型の電子機械スイッチとすることができる。 In the electromechanical switch 10 according to the embodiment of the present invention, the movable structure 24 is a cantilever in which one end 24a is not fixed and the other end 24b is fixed to the first convex portion 71, and the one end 24a of the cantilever is The first protrusion 20 is protruded from the surface 20 a, is moved by a voltage applied to the third protrusion 73 formed between the first protrusion 71 and the second protrusion 72, and contacts the second protrusion 72. Since the configuration is enabled, a three-terminal electromechanical switch that applies ON / OFF between the source 21 and the drain 23 by moving the movable structure 24 by applying a gate voltage can be obtained.
（本発明の第２の実施形態）
＜電子機械スイッチ＞
以下、本発明の第２の実施形態である電子機械スイッチを説明する。
図９は、本発明の第２の実施形態である電子機械スイッチの一例を示す図であって、図９（ａ）は平面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）のＦ−Ｆ’線における断面図であり、図９（ｃ）は図９（ａ）のＧ−Ｇ’線における断面図である。
(Second embodiment of the present invention)
<Electromechanical switch>
Hereinafter, an electromechanical switch according to a second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of an electromechanical switch according to the second embodiment of the present invention, in which FIG. 9A is a plan view, and FIG. 9B is an F diagram in FIG. 9A. FIG. 9C is a cross-sectional view taken along line FF ′, and FIG. 9C is a cross-sectional view taken along line GG ′ in FIG.
図９（ａ）に示すように、本発明の第２の実施形態である電子機械スイッチ１１は、平面視略矩形状の２つのアノード５１、５２と、平面視略矩形状の２つのカソード５３、５４と、平面視略矩形状の可動構造部５５と、を有して概略構成されている。 As shown in FIG. 9A, the electromechanical switch 11 according to the second embodiment of the present invention includes two anodes 51 and 52 having a substantially rectangular shape in plan view, and two cathodes 53 having a substantially rectangular shape in plan view. , 54 and a movable structure 55 having a substantially rectangular shape in plan view.
２つのアノード５１、５２は、一辺が対向するように配置されている。また、２つのカソード５３、５４も、一辺が対向するように配置されている。
可動構造部５５は、２つのアノード５１、５２を連結するように形成されている。
The two anodes 51 and 52 are arranged so that one side faces each other. The two cathodes 53 and 54 are also arranged so that one side faces each other.
The movable structure 55 is formed so as to connect the two anodes 51 and 52.
アノード５１、５２と、カソード５３、５４と、可動構造部５５は、それぞれ溝部２０ｆによって分離されている。
アノード５１とカソード５３の間の溝部２０ｆの幅は５０ｎｍ〜４００ｎｍとすることが好ましく、１００ｎｍ〜３００ｎｍとすることがより好ましい。
The anodes 51 and 52, the cathodes 53 and 54, and the movable structure 55 are separated by the groove 20f.
The width of the groove 20f between the anode 51 and the cathode 53 is preferably 50 nm to 400 nm, and more preferably 100 nm to 300 nm.
図９（ｃ）に示すように、ダイヤモンド単結晶基板２０に溝部２０ｆが設けられ、ダイヤモンド単結晶基板２０の一部が第１の凸部８１、第２の凸部８２、第４の凸部８４とされ、それぞれ凸面側にダイヤモンドエピタキシャル層２５と金属膜２６が積層されている。これにより、２つのアノード５１、５２及び２つのカソード５３、５４が形成されている。
なお、金属膜２６はそれぞれ第１の電極部２６ａ１、第２の電極部２６ｓ、第４の電極部２６ａ２とされている。
As shown in FIG. 9C, a groove 20f is provided in the diamond single crystal substrate 20, and a part of the diamond single crystal substrate 20 is a first protrusion 81, a second protrusion 82, and a fourth protrusion. The diamond epitaxial layer 25 and the metal film 26 are laminated on the convex surface side. Thereby, two anodes 51 and 52 and two cathodes 53 and 54 are formed.
The metal film 26 is a first electrode portion 26a1, a second electrode portion 26s, and a fourth electrode portion 26a2.
図９（ｂ）に示すように、可動構造部５５は、ブリッジ５５として形成されている。
つまり、可動構造部５５の両端５５ｂ、５５ａはそれぞれ２つのアノード５１、５２に固定されている。また、可動構造部５５とダイヤモンド単結晶基板２０の一面２０ａとの間には空間部６０ｃが設けられている。
これにより、可動構造部５５の変形により、中央部５５ｃを可動可能とされている。
As shown in FIG. 9B, the movable structure 55 is formed as a bridge 55.
That is, both ends 55b and 55a of the movable structure 55 are fixed to the two anodes 51 and 52, respectively. A space 60 c is provided between the movable structure 55 and the one surface 20 a of the diamond single crystal substrate 20.
As a result, the central portion 55 c can be moved by the deformation of the movable structure portion 55.
また、図９（ｂ）に示すように、可動構造部５５は、ダイヤモンド単結晶基板２０とダイヤモンドエピタキシャル層２５との２層構造である。導電性を有するダイヤモンドエピタキシャル層２５を用いて可動構造部５５が形成されているので、静電気力により、可動構造部５５を変形させることができる構成とされている。 Further, as shown in FIG. 9B, the movable structure portion 55 has a two-layer structure of the diamond single crystal substrate 20 and the diamond epitaxial layer 25. Since the movable structure portion 55 is formed using the conductive diamond epitaxial layer 25, the movable structure portion 55 can be deformed by electrostatic force.
可動構造部５５の長さは、３μｍ〜１ｍｍとすることが好ましく、１０μｍ〜２０μｍとすることがより好ましい。
可動構造部５５の幅は、１００ｎｍ〜６μｍとすることが好ましく、１００ｎｍ〜８００ｎｍとすることがより好ましい。
可動構造部５５は平面視略矩形状の板状部材としたが、これに限られるものではなく、円柱状部材、三角柱状部材としてもよく、また、例えば、三角形或いは円形自立ダイヤフラムとしてもよい。
The length of the movable structure 55 is preferably 3 μm to 1 mm, and more preferably 10 μm to 20 μm.
The width of the movable structure 55 is preferably 100 nm to 6 μm, and more preferably 100 nm to 800 nm.
The movable structure 55 is a plate-like member having a substantially rectangular shape in plan view, but is not limited thereto, and may be a cylindrical member or a triangular prism-like member, or may be, for example, a triangular or circular self-supporting diaphragm.
＜電子機械スイッチの動作機構＞
図１０は、本発明の第２の電子機械スイッチ１１の動作機構の別の一例を示す概略図であって、図１０（ａ）はＶ１またはＶ２を印加していない状態であり、図１０（ｂ）はＶ１を印加した状態を示す図であり、図１０（ｃ）はＶ２を印加した状態を示す図である。
図１０（ａ）に示すように、電子機械スイッチ１１のアノード５１はアースに接続されている。また、カソード５３、５４は、電流計を介してゲート電源部Ｖ１またはＶ２に接続されている。可動構造部５５は、両端５５ｂ、５５ａがアノード５１、５２に固定されている。
<Operating mechanism of electromechanical switch>
FIG. 10 is a schematic diagram showing another example of the operation mechanism of the second electromechanical switch 11 of the present invention. FIG. 10A shows a state in which V 1 or V 2 is not applied. 10 (b) is a diagram showing a state of applying the V 1, FIG. 10 (c) is a diagram showing a state of applying the V 2.
As shown in FIG. 10A, the anode 51 of the electromechanical switch 11 is connected to the ground. The cathode 53 is connected to the gate power supply unit V 1 or V 2 through the ammeter. The movable structure portion 55 has both ends 55 b and 55 a fixed to the anodes 51 and 52.
図１０（ｂ）に示すように、アノード５１をアースに接続し、電源部Ｖ１からカソード５３に電圧を印加すると、不純物が添加されたダイヤモンドエピタキシャル層２５は導電性を有するので、可動構造部５５とカソード５３との間に静電引力が働き、可動構造部５５の中央部５５ｃはカソード５３側に屈曲してカソード５３に接触する。これにより、電子機械スイッチはＯＮ動作を行う。 As shown in FIG. 10 (b), connect the anode 51 to the ground, when voltage is applied to the cathode 53 from the power supply unit V 1, since the diamond epitaxial layer 25 doped with an impurity having a conductivity, movable structure An electrostatic attraction acts between 55 and the cathode 53, and the central portion 55 c of the movable structure portion 55 is bent toward the cathode 53 and contacts the cathode 53. Thereby, the electromechanical switch performs the ON operation.
電源部Ｖ１からカソード５３への電圧の値を小さくすることにより、可動構造部５５の中央部はカソード５３から離れ、図１０（ａ）に示す状態に戻る。これにより、電子機械スイッチはＯＦＦ動作を行う。 By the power supply unit V 1 to reduce the value of the voltage to the cathode 53, the central portion of the movable structure 55 moves away from the cathode 53, returns to the state shown in Figure 10 (a). Thereby, the electromechanical switch performs an OFF operation.
また、図１０（ｃ）に示すように、アノード５１をアースに接続し、電源部Ｖ２からカソード５４に電圧を印加すると、不純物が添加されたダイヤモンドエピタキシャル層２５は導電性を有するので、可動構造部５５とカソード５４との間に静電引力が働き、可動構造部５５の中央部はカソード５４側に屈曲してカソード５４に接触する。これにより、電子機械スイッチは別のＯＮ動作を行う。 Further, as shown in FIG. 10 (c), connecting the anode 51 to the ground, when voltage is applied to the cathode 54 from the power supply unit V 2, since the diamond epitaxial layer 25 doped with an impurity has conductivity, the movable An electrostatic attractive force acts between the structure portion 55 and the cathode 54, and the central portion of the movable structure portion 55 bends toward the cathode 54 and contacts the cathode 54. As a result, the electromechanical switch performs another ON operation.
電源部Ｖ２からカソード５４への電圧の値を小さくすることにより、可動構造部５５の中央部５５ｃはカソード５４から離れ、図１０（ａ）に示す状態に戻る。これにより、電子機械スイッチはＯＦＦ動作を行う。 By the power supply unit V 2 to decrease the value of the voltage to the cathode 54, the central portion 55c of the movable structure 55 moves away from the cathode 54, returns to the state shown in Figure 10 (a). Thereby, the electromechanical switch performs an OFF operation.
電子機械スイッチ１１のＯＮ動作を行う電圧（以下、プルイン電圧）は、例えば、７０Ｖである。可動構造部２５の長さを長くすること、または、可動構造部２５の中央部５５ｃとカソード５３、５４との間の距離（以下、ギャップ幅）を狭くすることにより、前記プルイン電圧を下げることができる。 The voltage for performing the ON operation of the electromechanical switch 11 (hereinafter, pull-in voltage) is, for example, 70V. The pull-in voltage is lowered by increasing the length of the movable structure 25 or by reducing the distance between the central portion 55c of the movable structure 25 and the cathodes 53 and 54 (hereinafter referred to as gap width). Can do.
本発明の実施形態である電子機械スイッチの製造方法は、溝部２０ｆの形成の際、ダイヤモンド単結晶基板２０に第４の凸部８４を形成し、第１の電極部２６ａ１及び第２の電極部２６ｓの形成の際、第４の凸部８４に第４の電極部２６ａ２を形成するとともに、可動構造部５５を、他端５５ｂが第１の凸部８１に固定され、一端５５ａが第４の凸部８４に固定されたブリッジとして形成する構成なので、アノードとカソードの間のＯＮ−ＯＦＦを行う２端子型の電子機械スイッチを形成することができる。また、固着（スティクション）性を低減し、機械摩擦性を高めた単結晶ダイヤモンドの電子機械スイッチを形成することができる。 In the electromechanical switch manufacturing method according to the embodiment of the present invention, when the groove 20f is formed, the fourth convex portion 84 is formed on the diamond single crystal substrate 20, and the first electrode portion 26a1 and the second electrode portion are formed. In forming 26s, the fourth electrode portion 26a2 is formed on the fourth convex portion 84, the movable structure portion 55 is fixed to the first convex portion 81, and the other end 55b is fixed to the first convex portion 81. Since it is formed as a bridge fixed to the convex portion 84, a two-terminal type electromechanical switch that performs ON-OFF between the anode and the cathode can be formed. In addition, it is possible to form an electromechanical switch of single crystal diamond with reduced sticking and improved mechanical friction.
本発明の実施形態である電子機械スイッチ１１は、可動構造部５５が、他端５５ｂが第１の凸部８１に固定され、一端５５ａが一面２０ａから突出された第４の凸部８４に固定されたブリッジであり、ブリッジ５５の中央部５５ｃが、第２の凸部８２に印加された電圧により可動され、第２の凸部８２に接触可能とされている構成なので、アノードとカソードの間のＯＮ−ＯＦＦを行う２端子型の電子機械スイッチを形成することができる。また、固着（スティクション）性を低減し、機械摩擦性を高めた単結晶ダイヤモンドの電子機械スイッチを形成することができる。 In the electromechanical switch 11 according to the embodiment of the present invention, the movable structure portion 55 is fixed to the fourth convex portion 84 having the other end 55b fixed to the first convex portion 81 and the one end 55a protruding from the one surface 20a. Since the central portion 55c of the bridge 55 is moved by the voltage applied to the second convex portion 82 and is capable of contacting the second convex portion 82, the bridge 55 is connected between the anode and the cathode. It is possible to form a two-terminal type electromechanical switch that performs ON-OFF. In addition, it is possible to form an electromechanical switch of single crystal diamond with reduced sticking and improved mechanical friction.
本発明の実施形態である電子機械スイッチ及びその製造方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で、種々変更して実施することができる。本実施形態の具体例を以下の実施例で示す。しかし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 The electromechanical switch and the manufacturing method thereof according to the embodiment of the present invention are not limited to the above-described embodiment, and can be implemented with various modifications within the scope of the technical idea of the present invention. Specific examples of this embodiment are shown in the following examples. However, the present invention is not limited to these examples.
（実施例１）
＜ダイヤモンド表面下部へのグラファイト犠牲層の作製＞
図１１に示す工程図に従い、実施例１の電子機械スイッチを作製した。
まず、図１１（ａ）は、高エネルギーイオン注入（高エネルギーイオン選択的注入）工程である。図１１（ａ）に示すように、高エネルギー施設を利用して、高圧高温（ＨＰＨＴ）合成された市販の単結晶ダイヤモンド基板表面に、金属性マスクも用いて、選択的に元素をイオン注入した。単結晶ダイヤモンド層表面下のイオン注入領域は、グラファイトに改質され、犠牲層としての役目を果たす。
イオン注入条件を表１に示す。
Example 1
<Preparation of the graphite sacrificial layer on the lower surface of the diamond>
The electromechanical switch of Example 1 was produced according to the process diagram shown in FIG.
First, FIG. 11A shows a high energy ion implantation (high energy ion selective implantation) step. As shown in FIG. 11 (a), using a high energy facility, an element is selectively ion-implanted into the surface of a commercially available single crystal diamond substrate synthesized by high pressure and high temperature (HPHT) using a metallic mask. . The ion-implanted region below the surface of the single crystal diamond layer is modified to graphite and serves as a sacrificial layer.
Table 1 shows the ion implantation conditions.
次に、イオン注入されたＨＰＨＴ単結晶ダイヤモンド基板を、硝酸およびフッ化水素酸の混合溶液中で２−３時間沸騰させる溶液処理を行った。 Next, solution treatment was performed by boiling the ion-implanted HPHT single crystal diamond substrate in a mixed solution of nitric acid and hydrofluoric acid for 2-3 hours.
＜ダイヤモンドエピタキシャル層の作製＞
次に、この単結晶基板上に、マイクロ波プラズマ気相成長（ＭＰＣＶＤ）法により、ダイヤモンドエピタキシャル層を８時間成長させた。図１１（ｂ）は、ダイヤモンドエピタキシャル層のＭＰＣＶＤ気相成長工程である。成長温度は９６０℃であり、成長中の熱処理によってもグラファイト改質層はそのままの状態で残っていた。
エピタキシャル層の成長条件を表２に示す。
<Preparation of diamond epitaxial layer>
Next, a diamond epitaxial layer was grown on the single crystal substrate by microwave plasma vapor deposition (MPCVD) for 8 hours. FIG. 11B shows the MPCVD vapor phase growth process of the diamond epitaxial layer. The growth temperature was 960 ° C., and the graphite modified layer remained as it was even after the heat treatment during the growth.
Table 2 shows the growth conditions of the epitaxial layer.
成長終了後、即ち、メタンガスの供給を止めた後、エピタキシャル層は１０分間水素雰囲気下で基板温度に保たれた。
ダイヤモンドエピタキシャル層内のボロン濃度は１０１６ｃｍ−３以上であった。従ってダイヤモンド層の表面は水素終端された状態である。
このプロセスは、ダイヤモンドエピタキシャル層を成長させる標準的なプロセスである。
ダイヤモンドエピタキシャル層成長後、エピタキシャル基板は、ダイヤモンド表面に存在する表面伝導層を除去し酸素終端表面を得るために、硫酸および硝酸の混合溶液中で２５０℃、３０分間の処理を行った。
After the growth was completed, that is, after the supply of methane gas was stopped, the epitaxial layer was kept at the substrate temperature in a hydrogen atmosphere for 10 minutes.
The boron concentration in the diamond epitaxial layer was 10 16 cm −3 or more. Therefore, the surface of the diamond layer is in a hydrogen-terminated state.
This process is a standard process for growing diamond epitaxial layers.
After the growth of the diamond epitaxial layer, the epitaxial substrate was treated at 250 ° C. for 30 minutes in a mixed solution of sulfuric acid and nitric acid in order to remove the surface conductive layer present on the diamond surface and obtain an oxygen-terminated surface.
＜全単結晶ダイヤモンド電子機械スイッチデバイスの作製＞
次に、ダイヤモンドのカンチレバー（一端が支持固定されたエアギャップ構造を持つ可動構造体）を作製するために、イオン注入されたダイヤモンド基板上に成長させたダイヤモンド層の微細加工を施した。
<Fabrication of all single crystal diamond electromechanical switch device>
Next, in order to produce a diamond cantilever (movable structure having an air gap structure with one end supported and fixed), a diamond layer grown on an ion-implanted diamond substrate was subjected to fine processing.
まず、ダイヤモンドエピタキシャル層上に、炭化タングステン／金層（ＷＣ／Ａｕ）薄膜層をフォトリソグラフィ・リフトオフ法によりパターニングした。図１１（ｃ）はＷＣ／Ａｕ層のリフト法によるパターニング工程図である。
次に、ＷＣ／Ａｕ薄膜をマスクとして用いて、ダイヤモンドをドライエッチングした。図１１（ｄ）はドライエッチングによる微細加工工程である。ドライエッチングは、酸素とアルゴンの混合ガスのプラズマを用いた。エッチング条件を表３に示す。このエッチング条件で、ダイヤモンドのエッチングレートは約２０ｎｍ／ｍｉｎであった。
First, a tungsten carbide / gold layer (WC / Au) thin film layer was patterned on the diamond epitaxial layer by a photolithography lift-off method. FIG. 11C is a patterning process diagram of the WC / Au layer by the lift method.
Next, the diamond was dry etched using the WC / Au thin film as a mask. FIG. 11D shows a microfabrication process by dry etching. For dry etching, plasma of a mixed gas of oxygen and argon was used. Table 3 shows the etching conditions. Under this etching condition, the etching rate of diamond was about 20 nm / min.
最後に、ダイヤモンドを硫酸および硝酸の混合溶液中で３００℃、３００分間の溶液処理を行うことによって、グラファイト犠牲層を除去した。図１１（ｅ）は硫酸・硝酸の混酸によるグラファイト犠牲層のウェットエッチング工程である。 Finally, the graphite sacrificial layer was removed by subjecting the diamond to a solution treatment at 300 ° C. for 300 minutes in a mixed solution of sulfuric acid and nitric acid. FIG. 11E shows a wet etching process of the graphite sacrificial layer using a mixed acid of sulfuric acid and nitric acid.
最後に、電子機械スイッチデバイスを作製するために、電極を作製した。
硫酸・硝酸の混合溶液中での溶液処理後、リフトオフ法によりパターニングされたチタン／金（Ｔｉ／Ａｕ）積層電極を形成した。
Finally, an electrode was made to make an electromechanical switch device.
After solution treatment in a mixed solution of sulfuric acid and nitric acid, a titanium / gold (Ti / Au) laminated electrode patterned by a lift-off method was formed.
図１２は、実施例１で作製した全単結晶ダイヤモンドのカンチレバーの走査型電子顕微鏡写真である。
図１２に示すように、カンチレバーの基板側にはエアギャップ構造（空間部）が形成されている。カンチレバーの長さは８μｍであり、幅は４００ｎｍであった。
FIG. 12 is a scanning electron micrograph of an all-single crystal diamond cantilever produced in Example 1.
As shown in FIG. 12, an air gap structure (space portion) is formed on the substrate side of the cantilever. The cantilever length was 8 μm and the width was 400 nm.
（実施例２）
カンチレバーの代わりにブリッジ（両端が支持固定されたエアギャップ構造を持つ可動構造体）を形成した他は、実施例１と同様にして、実施例２の電子機械スイッチを作製した。
(Example 2)
An electromechanical switch of Example 2 was manufactured in the same manner as Example 1 except that a bridge (movable structure having an air gap structure in which both ends were supported and fixed) was formed instead of the cantilever.
図１３は、実施例２で作製した全単結晶ダイヤモンドのブリッジの走査型電子顕微鏡写真である。
図１３に示すように、ブリッジの基板側にはエアギャップ構造（空間部）が形成されている。ブリッジの長さは６μｍであり、幅さは４００ｎｍであった。
FIG. 13 is a scanning electron micrograph of the bridge of all single crystal diamond produced in Example 2.
As shown in FIG. 13, an air gap structure (space portion) is formed on the substrate side of the bridge. The length of the bridge was 6 μm and the width was 400 nm.
（実施例３）
ブリッジとともに、２つのアノードと２つのカソードを形成した他は、実施例２と同様にして、実施例３の電子機械スイッチを作製した。
(Example 3)
An electromechanical switch of Example 3 was produced in the same manner as Example 2 except that two anodes and two cathodes were formed together with the bridge.
図１４は、実施例３で作製した全単結晶ダイヤモンドのブリッジを用いた電子機械スイッチの光学顕微鏡写真である。
図１４に示すように、ブリッジの両側のダイヤモンドの２つの壁は、それぞれ二つのカソード電極になる。
FIG. 14 is an optical micrograph of an electromechanical switch using a bridge of all single-crystal diamond produced in Example 3.
As shown in FIG. 14, the two walls of diamond on either side of the bridge become two cathode electrodes, respectively.
（実施例４）
カンチレバーとともに、ソース、ドレイン及びゲートを形成した他は、実施例１と同様にして、実施例４の電子機械スイッチを作製した。
Example 4
An electromechanical switch of Example 4 was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the source, drain, and gate were formed together with the cantilever.
図１５は、実施例４で作製した全単結晶ダイヤモンドのカンチレバーを用いた３端子の電子機械スイッチの光学顕微鏡写真である。
ソース−ゲート間に正負のしきい値電圧以上の電圧を印加することによって、ゲート−カンチレバー可動構造体にエアギャップを通して静電気引力を発生させ、カンチレバーの一端をドレインに接触させることによって、ソース−ドレイン間の電流スイッチを制御する。
FIG. 15 is an optical micrograph of a three-terminal electromechanical switch using an all-single-crystal diamond cantilever fabricated in Example 4.
By applying a voltage higher than a positive / negative threshold voltage between the source and the gate, an electrostatic attraction is generated through the air gap in the movable structure of the gate and the cantilever, and one end of the cantilever is brought into contact with the drain. Control the current switch between.
図１６は、実施例４の全単結晶ダイヤモンドのカンチレバーを用いた３端末の電子機械スイッチのドレイン電流−ゲート電圧特性を示す。
ソース−ドレイン電圧は１０Ｖを印加した。スイッチオンのプルイン電圧（ｐｕｌｌ−ｉｎ）（しきい値電圧）はおよそ７０Ｖであった。
ソース−ゲート間にプルイン電圧以上の電圧を印加すると、ゲート−カンチレバー可動構造体にエアギャップを通して静電気引力が働き、カンチレバーの一端がドレインに接触することによって、ソース−ドレイン間には、電流が流れた。
FIG. 16 shows drain current-gate voltage characteristics of a three-terminal electromechanical switch using the all-single-crystal diamond cantilever of Example 4.
A source-drain voltage of 10 V was applied. The switch-on pull-in voltage (threshold voltage) was approximately 70V.
When a voltage higher than the pull-in voltage is applied between the source and gate, electrostatic attraction works through the air gap to the movable structure of the gate and cantilever, and one end of the cantilever comes into contact with the drain, so that current flows between the source and drain. It was.
図１７に、実施例４の全単結晶ダイヤモンドのカンチレバーを用いた３端子の電子機械スイッチのドレイン電流とゲート電圧特性の電圧印加繰り返しに対するスイッチング特性を示す。
ソース―ドレイン電圧は１０Ｖを印加している。スイッチオンのプルイン電圧はおよそ７０Ｖであり、スイッチオフのプルアウト（ｐｕｌｌ−ｏｕｔ）電圧は６０Ｖであった。
FIG. 17 shows the switching characteristics of the drain current and gate voltage characteristics of the three-terminal electromechanical switch using the all-single-crystal diamond cantilever of Example 4 with respect to repeated voltage application.
A source-drain voltage of 10 V is applied. The switch-on pull-in voltage was approximately 70V and the switch-off pull-out voltage was 60V.
図１８は、単結晶ダイヤモンドカンチレバーを用いた３端子の電子機械スイッチのソース・ドレイン電流のゲートスイッチング時の時間応答特性を示す。
図１８に示すように、スティックション（固着）現象は発生しなかった。
FIG. 18 shows time response characteristics at the time of gate switching of the source / drain current of a three-terminal electromechanical switch using a single crystal diamond cantilever.
As shown in FIG. 18, the sticking phenomenon did not occur.
本発明の電子機械スイッチ及びその製造方法は、ダイヤモンドを利用した無線通信領域で電子機械デバイス、ディジタルロジック回路、センサおよびメモリデバイスに応用展開でき、無線通信センサの製造産業及びそれを利用する産業において利用可能性がある。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The electromechanical switch and the manufacturing method thereof according to the present invention can be applied to electromechanical devices, digital logic circuits, sensors, and memory devices in a wireless communication area using diamond, and in the manufacturing industry of wireless communication sensors and the industries using the same. There is a possibility of use.
１０…電子機械スイッチ（３端子型）、１１…電子機械スイッチ（２端子型）、２０ａ…一面、２０ｃ…溝部、２０ｆ…溝部、２１…ソース、２２…ゲート、２３…ドレイン、２４…可動構造部（カンチレバー）、２４ａ…一端、２４ｂ…他端、２５…ダイヤモンドエピタキシャル層、２５ａ…一面、２６…金属膜、２６ｓ…第１の電極部、２６ｄ…第２の電極部、２６ｇ…第３の電極部、２６ａ１…第１の電極部、２６ｓ…第２の電極部、２６ａ２…第４の電極部、３４…第２のマスク部、３４ｃ…第２の開口部、４０…グラファイト層、４０ｃ…空間部（エアギャップ）、４２…第１のマスク部、４２ｃ…第１の開口部、５１、５２…アノード、５３、５４…カソード、５５…可動構造部（ブリッジ）、５５ａ…一端、５５ｂ…他端、５５ｃ…中央部、６０ｃ…空間部（エアギャップ）、７１…第１の凸部、７２…第２の凸部、７３…第３の凸部、８１…第１の凸部、８２…第２の凸部、８４…第４の凸部、Ｓ１…グラファイト層形成工程、Ｓ２…エピタキシャル層形成工程、Ｓ３…溝部形成工程、Ｓ４…グラファイト層除去工程、Ｓ５…電極部形成工程。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Electromechanical switch (3 terminal type), 11 ... Electromechanical switch (2 terminal type), 20a ... One side, 20c ... Groove part, 20f ... Groove part, 21 ... Source, 22 ... Gate, 23 ... Drain, 24 ... Movable structure Part (cantilever), 24a ... one end, 24b ... other end, 25 ... diamond epitaxial layer, 25a ... one side, 26 ... metal film, 26s ... first electrode part, 26d ... second electrode part, 26g ... third Electrode part, 26a1 ... 1st electrode part, 26s ... 2nd electrode part, 26a2 ... 4th electrode part, 34 ... 2nd mask part, 34c ... 2nd opening part, 40 ... Graphite layer, 40c ... Space part (air gap), 42 ... first mask part, 42c ... first opening part, 51, 52 ... anode, 53, 54 ... cathode, 55 ... movable structure part (bridge), 55a ... one end, 55b ... The other end, 5 c: Central part, 60c ... Space part (air gap), 71 ... First convex part, 72 ... Second convex part, 73 ... Third convex part, 81 ... First convex part, 82 ... Second , Fourth convex portion, S1 ... graphite layer forming step, S2 ... epitaxial layer forming step, S3 ... groove portion forming step, S4 ... graphite layer removing step, S5 ... electrode portion forming step.
Claims (11)
前記ダイヤモンド単結晶基板の一面を覆うように不純物元素を添加したダイヤモンドエピタキシャル層を形成する工程と、
前記一面に溝部を形成して第１の凸部と第２の凸部を形成する工程と、
前記グラファイト層を除去して、前記一面との間に空間部が備えられた可動構造部を形成する工程と、
前記第１の凸部に第１の電極部を形成するとともに、前記第２の凸部に第２の電極部を形成する工程と、を有することを特徴とする電子機械スイッチの製造方法。 Forming a graphite layer inside the diamond single crystal substrate;
Forming a diamond epitaxial layer to which an impurity element is added so as to cover one surface of the diamond single crystal substrate;
Forming a groove on the one surface to form a first protrusion and a second protrusion;
Removing the graphite layer and forming a movable structure provided with a space between the one surface;
Forming a first electrode portion on the first convex portion and forming a second electrode portion on the second convex portion. A method of manufacturing an electromechanical switch, comprising:
前記第１の電極部及び前記第２の電極部の形成の際、前記第３の凸部に第３の電極部を形成するとともに、
前記可動構造部を、一端が固定されず、他端が前記第１の凸部に固定されたカンチレバーとして形成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電子機械スイッチの製造方法。 When forming the groove, a third convex portion is formed on the diamond single crystal substrate,
When forming the first electrode portion and the second electrode portion, a third electrode portion is formed on the third convex portion, and
5. The electromechanical switch according to claim 1, wherein the movable structure portion is formed as a cantilever in which one end is not fixed and the other end is fixed to the first convex portion. Manufacturing method.
前記第１の電極部及び前記第２の電極部の形成の際、前記第４の凸部に第４の電極部を形成するとともに、
前記可動構造部を、他端が前記第１の凸部に固定され、一端が前記第４の凸部に固定されたブリッジとして形成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電子機械スイッチの製造方法。 When forming the groove, a fourth convex portion is formed on the diamond single crystal substrate,
When forming the first electrode portion and the second electrode portion, forming the fourth electrode portion on the fourth convex portion,
The said movable structure part is formed as a bridge | bridging with the other end being fixed to the said 1st convex part, and one end being fixed to the said 4th convex part. The manufacturing method of the electromechanical switch of description.
前記一面から突出された第１の凸部と、
前記一面から突出された第２の凸部と、
前記第１の凸部に固定され、前記一面との間に空間部が備えられた可動構造部と、を有する電子機械スイッチであって、
前記可動構造部が可動して、前記第２の凸部に接触可能とされていることを特徴とする電子機械スイッチ。 On one side of the diamond single crystal substrate,
A first protrusion protruding from the one surface;
A second protrusion protruding from the one surface;
An electromechanical switch having a movable structure fixed to the first convex portion and provided with a space portion between the first surface,
An electromechanical switch characterized in that the movable structure portion is movable and is capable of contacting the second convex portion.
前記カンチレバーの一端が、前記一面から突出され、前記第１の凸部と前記第２の凸部との間に形成された第３の凸部に印加された電圧により可動され、前記第２の凸部に接触可能とされていることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の電子機械スイッチ。 The movable structure part is a cantilever in which one end is not fixed and the other end is fixed to the first convex part,
One end of the cantilever protrudes from the one surface and is moved by a voltage applied to a third protrusion formed between the first protrusion and the second protrusion, and the second cantilever The electromechanical switch according to claim 7, wherein the electromechanical switch is capable of contacting the convex portion.
前記ブリッジの中央部が、前記第２の凸部に印加された電圧により可動され、前記第２の凸部に接触可能とされていることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の電子機械スイッチ。
The movable structure part is a bridge having the other end fixed to the first convex part and one end fixed to a fourth convex part protruding from the one surface;
The central portion of the bridge is moved by a voltage applied to the second convex portion, and can be brought into contact with the second convex portion. Electromechanical switch as described in.
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Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014033567A1 (en) * | 2012-08-31 | 2014-03-06 | International Business Machines Corporation | Nano-electro-mechanical-switch adiabatic dynamic logic circuits |
| KR101455743B1 (en) * | 2013-07-03 | 2014-11-03 | 서울대학교산학협력단 | NEMS atomic switch based on resistance variation |
| US8925183B2 (en) | 2012-08-31 | 2015-01-06 | International Business Machines Corporation | Methods for fabricating an electromechanical switch |
| WO2018191096A1 (en) * | 2017-04-10 | 2018-10-18 | The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy | Diamond air bridge for thermal management of high power devices |
| JP2019140547A (en) * | 2018-02-13 | 2019-08-22 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 | Diamond structure, diamond cantilever, and manufacturing method of diamond structure |
| CN110541150A (en) * | 2019-08-22 | 2019-12-06 | 沈阳科友真空技术有限公司 | Multilayer film structure for reed switch relay contact and preparation method thereof |
| JP2020068291A (en) * | 2018-10-24 | 2020-04-30 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 | Electronic element, temperature sensor, magnetic sensor, vibration sensor, and acceleration sensor |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003527727A (en) * | 1999-01-25 | 2003-09-16 | ゲーエフデー−ゲゼルシャフト フュア ディアマントプロドゥクテ エムベーハー | Micro switch contact |
| JP2004111296A (en) * | 2002-09-20 | 2004-04-08 | Toshiba Corp | Microswitch and its manufacturing method |
| JP2010098262A (en) * | 2008-10-20 | 2010-04-30 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Diamond electronic element and method of manufacturing the same |
-
2010
- 2010-07-21 JP JP2010163606A patent/JP5626972B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003527727A (en) * | 1999-01-25 | 2003-09-16 | ゲーエフデー−ゲゼルシャフト フュア ディアマントプロドゥクテ エムベーハー | Micro switch contact |
| JP2004111296A (en) * | 2002-09-20 | 2004-04-08 | Toshiba Corp | Microswitch and its manufacturing method |
| JP2010098262A (en) * | 2008-10-20 | 2010-04-30 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Diamond electronic element and method of manufacturing the same |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014033567A1 (en) * | 2012-08-31 | 2014-03-06 | International Business Machines Corporation | Nano-electro-mechanical-switch adiabatic dynamic logic circuits |
| US8925183B2 (en) | 2012-08-31 | 2015-01-06 | International Business Machines Corporation | Methods for fabricating an electromechanical switch |
| US8963661B2 (en) | 2012-08-31 | 2015-02-24 | International Business Machines Corporation | Four terminal nano-electromechanical switch with a single mechanical contact |
| US9276579B2 (en) | 2012-08-31 | 2016-03-01 | International Business Machines Corporation | Nano-electro-mechanical-switch adiabatic dynamic logic circuits |
| US9276578B2 (en) | 2012-08-31 | 2016-03-01 | International Business Machines Corporation | Nano-electro-mechanical-switch adiabatic dynamic logic circuits |
| KR101455743B1 (en) * | 2013-07-03 | 2014-11-03 | 서울대학교산학협력단 | NEMS atomic switch based on resistance variation |
| WO2018191096A1 (en) * | 2017-04-10 | 2018-10-18 | The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy | Diamond air bridge for thermal management of high power devices |
| US10312175B1 (en) | 2017-04-10 | 2019-06-04 | The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy | Diamond air bridge for thermal management of high power devices |
| US10424643B2 (en) | 2017-04-10 | 2019-09-24 | The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy | Diamond air bridge for thermal management of high power devices |
| JP2019140547A (en) * | 2018-02-13 | 2019-08-22 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 | Diamond structure, diamond cantilever, and manufacturing method of diamond structure |
| JP2020068291A (en) * | 2018-10-24 | 2020-04-30 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 | Electronic element, temperature sensor, magnetic sensor, vibration sensor, and acceleration sensor |
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