JP4676496B2 - 微小電気機械システムにおけるアモルファス屈曲部 - Google Patents

Description

様々なタイプの微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）が知られている。そのような装置は、スイッチ、アクチュエータ、及び光変調器を含むいくつかの機能を実行するが、これらに全く限定されない。空間光変調器（ＳＬＭ）として働くＭＥＭＳは、電気的にアドレス可能、偏向可能なミラー、すなわちリフレクタで構成された画素を含む。ＳＬＭは、電気的及び／又は光学的入力に応じて入射光を変調することができる変換器である。ＳＬＭは、入射光を位相、強度、分極及び／又は方向で変調することができる。

更に、ＭＥＭＳは、ファブリーペロー光変調器として働くことができる。ファブリーペロー光変調器は、平行なミラーを有する。平行なミラーの一方を変調してミラーの間隙を変化させる。このミラーの間隙によって、装置から出される波長が決まる。

一般に、ＭＥＭＳは、通常、屈曲部やばねなどの弾性変形可能な部材によって基板に結合された偏向可能又は可動な質量部又は表面を有する。弾性変形可能部材は、一般に、反射面やミラーなどの偏向可能又は可動な質量部を中立位置に位置決めする。中立位置は、結合された基板と平行の場合もあり平行でない場合もある。弾性変形可能部材は、何か他の手段による静電引力又は斥力の選択的印加によって偏向が生じるまで、偏向可能又は可動な質量部を中立位置に維持する。ＳＬＭの状況では、ミラーや他のリフレクタがわずかに偏向しても、それに入射した光の変調が大きく変化することがある。

可動な質量部の動きによって弾性変形可能部材が変形し、そこに位置エネルギーが蓄えられる。蓄えられた位置エネルギーは、静電力が除去された後で、偏向可能又は可動な質量部をその中立位置に戻す傾向がある。弾性変形可能部材は、屈曲モードとして知られる片持ち梁モード、ねじれモード、又はこの両方のモードの組み合わせで変形することが知られている。

従来の弾性変形可能部材の偏向の繰り返しによって、クリープとして知られる現象が起こる。クリープは、ＭＥＭＳの不適切な動作の原因となる弾性変形可能部材の弛緩又は変形である。例えば、弛緩した弾性変形可能部材は、静電力が除去されたときに偏向可能又は可動な質量部をその適切な中立位置に戻すことができず、その結果、意図しない光変調などの時間の経過によるＭＥＭＳの性能の変化又は低下が生じることがある。

微小電気機械システムは屈曲部を有し、屈曲部は、アモルファス材料で作成される。

同様に微小電気機械システムを形成する方法は、基板を形成し、アモルファス屈曲部を形成することを含み、このアモルファス屈曲部は基板に結合されている。

添付図面は、このシステム及び方法の様々な実施形態を示し、明細書の一部である。図示した実施形態は、このシステム及び方法の単なる例でありその範囲を制限しない。このシステム及び方法の概要並びに他の特徴及び態様は、以下の詳細な説明を読み図面を参照することにより明らかになるであろう。

図面全体にわたって、同じ参照番号は、類似しているが必ずしも同一とは限らない要素を指す。

本明細書は、ＭＥＭＳ装置内で得られるクリープ経路を短縮するシステム及び方法について述べる。より具体的には、アモルファス屈曲部を有するＭＥＭＳを形成することによって、屈曲構造から結晶滑り面と結晶粒境界がなくなり、それによりクリープが生じる２つの有効経路が除去される。以下の明細書と特許請求の範囲は、ＭＥＭＳ装置内にアモルファス屈曲部を形成するためのシステム及び方法の例示的な実施形態を開示する。

本明細書及び添付した特許請求の範囲に使用されるとき、「微小電気機械システム」又は「ＭＥＭＳ」という用語は、広義には、通常１つ又は複数の半導体チップ上に構成することができ且つ集積回路（ＩＣ）バッチ処理技術を使用して製造することができる任意の極めて小さい（微小）機械装置を指すものとする。ＭＥＭＳは、広義には、センサ、アクチュエータ、センサとアクチュエータの組み合わせ、光変調器、又は処理又は制御のための付加回路として分類することができる。本明細書及び添付した特許請求の範囲では、ＭＥＭＳという用語は、前述の分類のいずれかを指すものとする。

更に、本明細書及び添付した特許請求の範囲で使用されるとき、「結晶」という用語は、いくつかの結晶滑り面又は結晶粒境界の原因となるいくつかの繰り返し構造パターンで特徴付けられた、金属と合金の従来の構造として理解されるものとする。「結晶滑り面」は、三次元的な原子又は分子の繰り返し配列の間に転位運動が生じる結晶面であり、これはしばしば構造部材のクリープの原因になる。同様に、「結晶粒境界」という用語は、多結晶金属又はセラミック中に異なる結晶学的配向を有する２つの隣接した結晶を分ける界面を指す。

更に、「アモルファス」という用語は、本質的に非晶質の原子構造を有する任意の固体材料を指すと理解されたい。アモルファス原子構造を有する材料は、結晶滑り面と結晶粒境界が実質的になく、それにより類似の結晶材料と比べて材料特性が強化される。

以下の明細書では、説明のため、ＭＥＭＳ装置内にアモルファス屈曲部を形成するためのシステムと方法を完全に理解できるように多数の特定の詳細を説明する。しかしながら、当業者には、この方法が、そのような特定の詳細なしに実施できることは明らかであろう。本明細書において「一実施形態」又は「ある実施形態」について言及するとき、その実施形態と関連して説明する特定の特徴、構造又は特性が少なくとも１つの実施形態に含まれるものとする。明細書の様々な場所に現れる「一実施形態」という句は、必ずしも全て同じ実施形態を指すとは限らない。

次に図面を参照すると、図１〜図５は、従来クリープによる影響を受けてきた１つ又は複数の屈曲部の使用を含むいくつかのＭＥＭＳ構造を示す。従って、このシステム及び方法は、図１〜図５に示したＭＥＭＳ構造に組み込むことができる。図と以下の詳細な説明は、光変調ＭＥＭＳについて述べているが、このシステム及び方法は、クリープが生じやすい任意のＭＥＭＳ構成に組み込むことができる。

図１は、１つの例示的な実施形態による蛇行屈曲ＭＥＭＳ（１００）を示す平面図である。図１に示したように、例示的な蛇行屈曲ＭＥＭＳ（１００）は、蛇行形状で作成された複数のアモルファス屈曲部（１２０）の第１の端に結合された基板（１１０）を有する。アモルファス屈曲部（１２０）はそれぞれ第２の端で、ステッピングモータプラットホーム（１３０）に結合されている。図１に示した例示的な実施形態によれば、ステッピングモータプラットホーム（１３０）は、アモルファス屈曲部（１２０）によって基板（１１０）の上に懸架されている。更に、図１に示したアモルファス屈曲部（１２０）は、ステッピングモータプラットホーム（１３０）の制御された平面内運動を可能にする。換言すると、図１に示したアモルファス屈曲部（１２０）は、ステッピングモータプラットホーム（１３０）を、基板（１１０）と平行な面に沿って選択的に並進させることができる。１つ又は複数のアモルファス屈曲部（１２０）にクリープが生じると、ステッパモータプラットホーム（１３０）の平面外運動が起こる場合がある。更に、１つ又は複数のアモルファス屈曲部（１２０）におけるクリープは、ステッピングモータプラットホーム（１３０）が平面内の元の位置に戻るのを妨げることがある。

図１に示した平面内運動するＭＥＭＳと対照的に、図２は、１つの例示的な実施形態による平面外運動を提供する単純なポスト屈曲ＭＥＭＳ（２００）を含む空間光変調器（ＳＬＭ）の構成要素を示す側面図である。図２に示した例示的な実施形態に示したように、ポスト屈曲ＭＥＭＳ（２００）は、アモルファス屈曲部（１２０）の第１の端（１２２）が垂直方向に結合された基板（２１０）を含む。更に、アモルファス屈曲部（１２０）の第２の端（１２４）は、後で光変調器（２３０）に結合され、それにより最初に光変調器（２３０）は基板（２１０）に対して平行に位置決めされる。１つの例示的な実施形態によれば、いくつかの制御電極（図示せず）は、アモルファス屈曲部（１２０）のまわりの光変調器（２３０）を平面外運動させる静電力を生成し、それによりアモルファス屈曲部が変形しそこにエネルギーが蓄積される。静電力が除去されたとき、アモルファス屈曲部（１２０）に蓄えられたエネルギーは、光変調器（２３０）を基板（２１０）と平行なその中立位置に戻す。アモルファス屈曲部（１２０）にクリープが生じると、光変調器（２３０）の適切な位置決めが妨げられることによって、図２に示した空間光変調器（ＳＬＭ）の不適切な動作又は障害が生じることがある。

図３は、１つの例示的な実施形態によるねじれ屈曲ＭＥＭＳ（３００）を含むＳＬＭを示す上面図である。図２と同じように、図３に示したねじれ屈曲ＭＥＭＳ（３００）は、光変調器（２３０）の両側で複数のアモルファス屈曲部（１２０）に結合された光変調器（２３０）を含む。光変調器は、各アモルファス屈曲部（１２０）の第２の端（１２４）に結合されている。各アモルファス屈曲部（１２０）の第１の端（１２２）は、アンカーポスト（３１０）に結合されている。図３に示した例示的な構成では、いくつかの制御電極（図示せず）によって静電力が生成されたとき、アモルファス屈曲部（１２０）のねじれ屈曲部によって光変調器（２３０）を平面から選択的に傾けることができる。光変調器（２３０）のこの平面外の傾きは、アモルファス屈曲部（１２０）が光変調器（２３０）に繋がっている部分のまわりに生じる。従って、光変調器（２３０）の傾きを制御可能に変化させて、光変調器に入射する光を変調することができる。光変調は本質的に敏感なので、クリープはＳＬＭの適切な働きにとって特に有害になる。クリープがＳＬＭの屈曲部（１２０）に生じると、画素の画像の位置がずれる場合がある。

図４Ａと図４Ｂはそれぞれ、ファブリーペロー光変調器として働くことができるピンホイール屈曲ＭＥＭＳ（４００）を含むＳＬＭの上面図と部分切除側面図を示す。図４Ｂに示したように、ファブリーペロー光変調器として機能するピンホイール屈曲ＭＥＭＳ（４００）は、基板（２１０）に結合された反射率のより高い固定ミラー（４１０）を有する反射装置である。低反射率の光変調器（２３０）は、基板（２１０）から突き出ている複数のアンカーポスト（３１０）によって固定ミラー（４１０）の近くに懸架されている。更に、複数のアモルファス屈曲部（１２０）は、図４Ａに示したようなピンホイール構成で、低反射率光変調器（２３０）をアンカーポスト（３１０）に結合する。

動作の際、図４Ｃに示したように、光変調器（２３０）に入射した光線（４５０）は、前の光変調器で部分反射し、その後で後ろの固定ミラー（４１０）で反射される。光線（４５０）は、その後、キャビティ（４２０）内ではね返る。キャビティ（４２０）内での各々の往復によって、低反射率の上側の光変調器を少し透過することになる。いくつかの制御電極（図示せず）によって光変調器（２３０）の静電偏向を実行して、キャビティ（４２０）寸法を選択的に変化させることができる。キャビティ（４２０）のこの選択的な変化は、また、キャビティから出ることができる波長を変化させ、その結果、反射した光線（４５０）の一部が選択的に打ち消される。キャビティ（４２０）寸法の高度な制御が必要なので、ピンホイール屈曲ＭＥＭＳ（４００）のアモルファス屈曲部（１２０）内のクリープは、表示画像の色を不適当にずらすことによって、ファブリーペロー光変調器の適切又は全体的な機能を妨げることがある。

図５は、１つの例示的な実施形態による片持ち屈曲ＭＥＭＳ（５００）を含む振動片センサを示す側面図である。図５に示したように、試験質量部（５３０）が、続いて基板（２１０）に結合されている片持ちアモルファス屈曲部（１２０）に結合される。試験質量部（５３０）は、加速度測定装置などの測定装置又は機械で使用され、量を測定するための基準質量として働く所定のテスト質量である。前に示した例示的な実施形態と同じように、アモルファス屈曲部（１２０）にクリープが生じると、試験質量部（５３０）の適切な位置決めが妨げられる。

前述のように、図１から図５に示したＭＥＭＳ構造は、アモルファス屈曲部（１２０）を有する。従来の屈曲部の代わりにアモルファス屈曲部（１２０）を使用することにより、屈曲部内にクリープが生じる可能性が減少し、それにより、屈曲部の中立位置がずれる可能性が減少し、光変調器の性能が維持される。

応力で生じる空孔拡散、転移運動、粒界拡散、及び粒界滑りを含む、クリープ現象の原因となるいくつかのメカニズムが明らかになっている。アモルファス材料の屈曲部を形成すると、クリープ現象の原因となる結晶構造がなくなり、それにより前述のクリープ現象によって伝わる屈曲部クリープが最小になる。

図６は、ＭＥＭＳ屈曲部がアモルファス材料からなる、ＭＥＭＳを形成するための例示的な方法を示す。図６は、１つの例示的な方法を示しているが、ステップは、単なる例示であり、ＭＥＭＳの実際の製造において、ステップのいくつかは、当該技術分野で知られているように重複してもよく、組み合わされてもよく、順番が変更されてもよい。図６に示した例示的な実施形態によれば、方法は、最初に、電極を含む下にある基板を形成する（ステップ６００）。基板を形成した後で、基板上にアンカーポストや他の支持体を形成することができる（ステップ６１０）。次に、アモルファス屈曲部を形成し（ステップ６２０）、その後で任意の光変調器及び／又はモータプラットホームを形成することができる（ステップ６３０）。形成した後で、不必要な材料を除去して（ステップ６４０）、所望のＭＥＭＳ構造の形成を完了することができる。前述の方法の更なる詳細は、後で説明する。

図６に示したように、例示的な方法は、最初に、電極を含む基板を形成する（ステップ６００）。基板と電極の形成は、シリコン基板上に熱酸化物層を成長させ且つ／又は熱酸化物層上にアルミニウム合金又はアルミニウム銅合金（Ａｌ−Ｃｕ）をスパッタ堆積させ、その後でパターン及びプラズマエッチングして電極を画定する工程を含むが、これらの限定されない既知の形成方法のいずれかに従って実行することができる。

次に、図６に示した例示的な実施形態により、アンカーポスト及び／又は支持体が形成される（ステップ６１０）。１つの例示的な実施形態によれば、アンカーポスト及び／又は支持体は、アルミニウム合金又はアルミニウム銅合金（Ａｌ−Ｃｕ）のスパッタリングを含むがこれらに限定されない、当該技術分野で現在既知の任意の数の付着方法を使用して形成することができる。更に、ポスト及び／又は支持体の形成を、フォトレジスト及び／又は任意の数の犠牲支持材料の使用によって支援することができる。

アンカーポスト及び／又は支持体を形成した後で、アモルファス屈曲部を形成してもよい（ステップ６２０）。第１の例示的な実施形態によれば、アモルファス屈曲部は、１％と９９％との間の原子百分率のアルミニウムを含むタンタルアルミニウム（ＴａＡｌ）合金のスパッタ堆積によって形成される。１つの例示的な実施形態によれば、タンタルアルミニウム（ＴａＡｌ）合金は、３５％と６５％との間の原子百分率のタンタルを含む。アモルファス状態は、Ｘ線又は電子ビーム回折で識別できない構造を有する急冷した液相と似た材料の混合物である。

代替として、アモルファス屈曲部は、いくつかのアモルファス金属合金又は金属ガラス合金と付着方法とによって形成することができる。アモルファス屈曲部を形成するために使用できる現在知られている付着方法には、同時スパッタリング、反応性スパッタリング、反応性同時スパッタリング、蒸着、パルスレーザ蒸着、イオンビーム法、電子ビーム法、化学蒸着法（ＣＶＤ）、プラズマ加速化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）、及び原子層堆積（ＡＬＤ）などの物理蒸着法（ＰＶＤ）があるがこれらに限定されない。更に、アモルファス屈曲部を形成するために使用できるアモルファス薄膜には、ジルコニウムバナジウム鉄合金（ＺｒＶＦｅ）、ジルコニウムバナジウムチタン合金（ＺｒＶＴｉ）、コバルト金合金（ＣｏＡｕ）、又は金シリコン合金（ＡｕＳｉ）、並びにＬｉｑｕｉｄｍｅｔａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓによって製造されているＬＩＱＵＩＤＭＥＴＡＬ［登録商標］として商業的に知られているバルク凝固アモルファス合金などがあるがこれらに限定されない。

更に、図６に示した例示的な方法に従って形成されるアモルファス屈曲部は、複数の結晶膜を単一又は複数層のスタックで付着させ、このスタックを焼きなまししてアモルファス材料を形成することよって形成されてもよい。アモルファス材料は、ニッケルジルコニウム（ＮｉＺｒ）系とシリコンチタン（Ｓｉ−Ｔｉ）系の場合のように、固相反応によって結晶膜から形成されてもよい。

アモルファス屈曲部を形成した（ステップ６２０）後で、その上に、光変調器、試験質量部、モータプラットホーム、又はアモルファス屈曲部と相互作用するように構成された別の所望の構成要素を形成することができる（ステップ６３０）。

所望の構成要素をすべて形成した後で、図６に示した例示的な方法は、引き続き不必要な材料を除去する（ステップ６４０）。形成工程全体にわたって、いくつかの離型剤、防腐剤、スペーサ及び／又は保護層を使用することができる。これらの材料は、得られた構造から、化学溶解、エッチング、熱除去などを含むがこれらに限定されない任意の数の既知の方法を使用して除去することができる。

結論として、このシステム及び方法は、ＭＥＭＳ装置内にできるクリープ経路を減少させる。より具体的には、アモルファス屈曲部を有するＭＥＭＳを形成することによって、屈曲構造から結晶滑り面と結晶粒境界が除去され、それによりクリープが生じるための２つの有効経路が除去される。このようにＭＥＭＳ屈曲部に影響を及ぼすクリープが生じる可能性が少なくなるので、多くのＭＥＭＳ応用例の信頼性と精度が改善される。

以上の説明は、単にこのシステムと方法の例示的な実施形態を示し説明するために示された。これは、網羅的でもなく、システム及び方法を開示した厳密な形態に制限するものでもない。以上の教示を鑑みて多くの修正及び変形が可能である。システム及び方法の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。

１つの例示的な実施形態による蛇行屈曲ＭＥＭＳを示す平面図である。 １つの例示的な実施形態による単純なポスト屈曲ＭＥＭＳを含むＳＬＭの構成要素を示す側面図である。 １つの例示的な実施形態によるねじれ屈曲ＭＥＭＳを含むＳＬＭを示す平面図である。 １つの例示的な実施形態によるピンホイール屈曲ＭＥＭＳを含むＳＬＭの図である。 １つの例示的な実施形態によるピンホイール屈曲ＭＥＭＳを含むＳＬＭの図である。 １つの例示的な実施形態によるピンホイール屈曲ＭＥＭＳを含むＳＬＭの図である。 １つの例示的な実施形態による片持ち屈曲ＭＥＭＳを含む振動片センサを示す側面図である。 １つの例示的な実施形態によるアモルファス屈曲部材を形成する方法を示すフローチャートである。

Claims (9)

1. 基板（１１０，２１０）と、
   前記基板（１１０，２１０）に結合された屈曲部（１２０）と、
   前記屈曲部（１２０）に結合された偏向可能又は可動な構成要素（１３０，２３０）とを含み、
   前記屈曲部（１２０）は、アモルファス材料で作成され、３５と６５との間の原子百分率のタンタルを含むタンタルアルミニウム合金（ＴａＡｌ）から成ることを特徴とする、微小電気機械システム（１００，２００，３００，４００，５００）。
2. 前記構成要素が光変調器（２３０）から成ることを特徴とする、請求項１に記載の微小電気機械システム（１００，２００，３００，４００，５００）。
3. 前記光変調器（２３０）がファブリーペロー光変調器から成ることを特徴とする、請求項２に記載の微小電気機械システム（１００，２００，３００，４００，５００）。
4. 前記屈曲部（１２０）が、前記アモルファス材料の薄膜から成ることを特徴とする、請求項１に記載の微小電気機械システム（１００，２００，３００，４００，５００）。
5. 前記屈曲部（１２０）が、蛇行屈曲部、柱状屈曲部、又はねじれ屈曲部のうちの１つから成ることを特徴とする、請求項１に記載の微小電気機械システム（１００，２００，３００，４００，５００）。
6. 前記屈曲部（１２０）が、前記基板から突出するアンカー支持体に結合されることを特徴とする、請求項１に記載の微小電気機械システム（１００，２００，３００，４００，５００）。
7. アモルファス材料から成る屈曲部（１２０）であって、
   前記屈曲部（１２０）が、偏向可能又は可動な構成要素（１３０，２３０）を基板（１１０，２１０）に結合するために微小電気機械システム（１００，２００，３００，４００，５００）で使用されるように構成されており、
   前記アモルファス材料が、３５と６５との間の原子百分率のタンタルを含むタンタルアルミニウム合金（ＴａＡｌ）から成ることを特徴とする、屈曲部（１２０）。
8. 基板（１１０，２１０）を形成し、
   アモルファス材料から成る屈曲部（１２０）を形成し、前記屈曲部（１２０）が前記基板（１１０，２１０）に結合されており、
   前記屈曲部（１２０）に結合された偏向可能又は可動な構成要素（１３０，２３０）を形成することを含み、
   前記アモルファス材料が、３５と６５との間の原子百分率のタンタルを含むタンタルアルミニウム合金（ＴａＡｌ）から成ることを特徴とする、微小電気機械システム（１００，２００，３００，４００，５００）を形成する方法。
9. 前記アモルファス材料から成る屈曲部（１２０）を形成することが、
   前記基板（１１０，２１０）上に複数の結晶膜を付着し、
   前記結晶膜を焼きなましして、前記結晶膜内に固相反応を引き起こすことを含み、
   前記固相反応によって前記結晶膜がアモルファス構造になることを特徴とする、請求項８に記載の方法。

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