JP5222394B2 - 傾斜構造体を備えたマイクロメカニカル型の構成エレメントおよび相応する製作方法 - Google Patents

Description

背景技術
本発明は、傾斜構造体を備えたマイクロメカニカル型の構成エレメントに関する。本発明は、同じく相応する製作方法に関する。

最新の半導体技術はその大部分が層の被着および構造化もしくはパターン化を基礎としている。精巧なプロセス経過により、極めて複雑な構造体が可能となる。

マイクロメカニカル型の構成エレメント、たとえばセンサおよびアクチュエータの複雑さの度合いは、ここ数年来、著しく増大している。これに関連して、傾斜構造体または円形構造体を備えた構成エレメントを廉価にかつ確実に製作するという問題が相変わらず課せられている。

しかし、マイクロメカニカル型の層の上または中に傾斜した平面もしくはレベルまたは丸い構造体（「こぶ」または「窪み」）を導入することは、大量生産法（Hochvolumen-Verfahren）ではない。このような構造体はグレイスケールリソグラフィによって製作され得るが、しかしこのプロセスはプロセスパラメータに極めて敏感に左右され、かつ大量生産には適していない。異方性のエッチング（たとえばＫＯＨ、ＴＭＡＨ中のＳｉ）は、デザインの点で自由度を許さない。なぜならば、完全に規定された角度しか可能にならないからである。

発明の利点
請求項１の特徴部に記載の特徴を有する、本発明による、傾斜構造体を備えたマイクロメカニカル型の構成エレメント、すなわち表面を備えた基板が設けられており、該基板の表面に設けられかつ該基板から離れる方向に延びる第１のアンカが設けられており、該第１のアンカの側面に設けられた少なくとも１つのアームが設けられており、該アームが、第１のアンカから斜めに離れる方向に向けられていることを特徴とする、マイクロメカニカル型の構成エレメントならびに請求項１４の特徴部に記載の特徴を有する相応する製作方法、すなわち、以下のステップ：
表面を備えた基板と、該基板の表面に設けられかつ該基板から離れる方向に延びる第１のアンカと、該第１のアンカの側面に設けられかつ該第１のアンカの側面から側方に離れる方向に向けられた少なくとも１つのアームとを提供し；
該アームを、該アームが前記第１のアンカから斜めに離れる方向に向けられるように曲げる；
ステップを実施することを特徴とする、マイクロメカニカル型の構成エレメントを製作するための方法には、傾斜構造体を備えたマイクロメカニカル型の構成エレメントの簡単な製作を可能にするという利点がある。本発明における傾斜構造体は、完全に線状の傾斜に限定されているのではなく、部分的に線状の傾斜や、丸められた傾斜をも包含するものである。言い換えれば、「傾斜」とは、アームがその表面の少なくとも１つの点に、第１のアンカの側面に対して直角の角度を形成しない接線を有していることを意味する。

本発明の根底を成す思想は、１つのアンカ構造体と、該アンカ構造体に設けられた少なくとも１つのアームとから出発して、アームがアンカから斜めに離れる方向に向けられるようなアームの曲げを誘発させることにある。結合過程、たとえばボンディングまたは接着あるいはアームにおける内部応力の不可逆的な凍結（Einfrieren）、たとえば急冷によって、傾斜位置での位置固定を得ることができる。

本発明は、傾けられたビーム（梁）もしくは平面（レベル）を永続的に製作することのできる方法束を提供する。用途は、たとえばマイクロフルイディクス（Mikrofluidik）、アクチュエータ技術またはセンサ技術に認められる。製作は規格プロセスを用いて行われ、したがって大量生産に適した形で実現され得る。本発明は、１つの層の形に製作された構造体、たとえばビーム（梁）を適当なステップ（たとえば別の層により誘発されたか、または内在するストレス、圧力または静電気的な吸引もしくは種々の方法の組合せによる）によって意図的に曲げ、引き続きまたは有利には曲げプロセスステップにおいて直接にまたはアンカを介して適当な基板に結合させることを可能にする。この構造体はこうして前記平面から位置固定され、かつ別のマイクロメカニカル技術の機能形式を補填することができる。

本発明は、種々の平面もしくはレベルにおける作用を有する１つの平面もしくはレベルの構造化を可能にする。本発明は、公知の技術よりも少ない構造化手間しか必要とせず、このことはコスト節約、歩溜まり利点および位置調整ずれの減少に基づいた機能性改善を可能にする。したがって、構造体の一層良好な配置、一層良好な機能性および一層フレキシブルな構成サイズによって、より大きな信号および／または力を達成することができる。１つの例は、種々の平面（レベル）の間での一層滑らかな移行部による改善された流体機能性である。

請求項２以下には、本発明の各対象の有利な改良形および改善形が記載されている。

本発明の有利な改良形では、前記アームが、斜め下方へ前記基板の表面に向かって離れる方向に向けられている。

前記アームは直接に前記基板の表面に結合され得るか、または間接的に、たとえば第２のアームまたはその他の結合構造体を介して前記基板の表面に結合され得る。

アンカとアームとは、たとえば１つのマイクロメカニカル型のシリコン構造体から一体に形成され得ると有利である。

さらに別の有利な改良形では、第１および第２のアンカが、前記基板の表面に、中間室によって相互間隔を置いて配置されており、前記第１および第２のアンカが、各アームを介して前記基板の表面に結合されており、前記中間室内に、アンカにおける旋回ビームの旋回軸線のための懸吊部が設けられている。

アームは、種々様々な形状をとることができ、特にビーム形または面形（たとえば傘形、円セグメント形、三角形等）に形成されていてよい。

本発明の第１実施形態によるマイクロメカニカル型の構成エレメントを出発状態で示す概略的な横断面図である。 本発明の第１実施形態によるマイクロメカニカル型の構成エレメントを、加熱装置によって加熱された状態で示す概略的な横断面図である。 本発明の第１実施形態によるマイクロメカニカル型の構成エレメントを、第２のアンカが基板に固定された状態で示す概略的な横断面図である。 本発明の第２実施形態によるマイクロメカニカル型の構成エレメントの概略的な横断面図である。 本発明の第３実施形態によるマイクロメカニカル型の構成エレメントを出発状態で示す概略的な横断面図である。 本発明の第３実施形態によるマイクロメカニカル型の構成エレメントを、第２のアンカが基板に固定された状態で示す概略的な横断面図である。 本発明の第４実施形態によるマイクロメカニカル型の構成エレメントの概略的な横断面図である。

実施形態の説明
以下に、本発明の実施形態を図面につき詳しく説明する。

図面中、同一のコンポーネントまたは同一機能を有するコンポーネントは同じ符号で示されている。

図１ａ、図１ｂ、図１ｃには、本発明の第１実施形態によるマイクロメカニカル型の構成エレメントの概略的な横断面図が示されている。

図１ａ、図１ｂ、図ｃにおいて、符号１はＢｏｒｏｆｌｏａｔ（登録商標）基板が示されている。この基板１の表面Ｏには、第１のアンカ３ｅが設けられている。この第１のアンカ３ｅは基板１から離れる方向にコラム状に延びている。第１のアンカ３ｅの側壁Ｓ１，Ｓ２と一体に２つの薄いアーム３ｃが設けられている。両アーム３ｃの端部には、それぞれ第２のアンカ３ａ；３ｂが設けられている。アーム３ｃには、それぞれ付加的に、たとえばアルミニウムから成る金属層範囲３ｄが設けられている。本実施形態では、第１のアンカ３ｅと両アーム３ｃと第２のアンカ３ａ；３ｂとが、たとえば相応する犠牲層の使用下での相応するエッチングプロセスによって、シリコンから一体に製造されている。金属層範囲３ｄは、たとえばアーム３ｃにおける析出およびエッチバック（Rueckaetzen）により設けられている。したがって、第１のアンカ３ｅと、金属層範囲３ｄを備えた両アーム３ｃと、第２のアンカ３ａ；３ｂとは、本実施形態では一体のＴ字形構造体を形成している。

アーム３ｃおよび金属層範囲３ｄの当該熱膨張率が適当に選択されていると、アーム３ｃには、半導体／金属バイモルフ特性を付与することができ、すなわち温度負荷に基づいた曲げの可能性を付与することができる。

図１ａにつき説明した構造体から出発して、図１ｂに示したように加熱装置ＨＥを用いてＴ字形構造体に熱が送出される。この場合、アーム３ｃ上の金属層範囲３ｄは熱膨張率の相応する選択によって、アーム３ｃよりも大きく膨張する。

さらに、図１ｃに示したように、第２のアンカ３ａ，３ｂは基板１の表面Ｏに接触する。この場合、第２のアンカ３ａ，３ｂは、該第２のアンカ３ａ，３ｂのジオメトリ（幾何学的形状）およびアーム３ｃもしくは金属層範囲３ｄのデザインに基づいて規定され得る形で基板１の表面Ｏに接触する。アーム３ｃもしくは金属層範囲３ｄの構造化の際には、運動が出発位置を起点としてコントロールされて行われ、かつ望ましくない方向への曲げが不可能となるように配慮することが望ましい。

図１ｃに示したように、第２のアンカ３ａ，３ｂが基板１に形状結合的に載着され、つまり係合に基づいた嵌合により載着された後に、第２のアンカ３ａ，３ｂを適当な手段によって基板１に固定することができる。図１ｃには、この固定が電圧源ＳＰを用いた陽極ボンディングによって行われることが例示的に図示されている。この場合、電圧源ＳＰは、一方では点Ｕ１において基板１に電圧を印加し、他方では点Ｕ２において第１のアンカ３ｅに電圧を印加する。このための適当な材料組合せは、前で述べた材料組合せ、すなわちシリコン製のアンカ／Ｂｏｒｏｆｌｏａｔ（登録商標）製の基板である。この場合さらに有利には、加熱装置ＨＥの温度作用も、印加された電圧Ｕによる静電気的な吸引も、アーム３ｃの曲げを助成することを利用することができる。

念のため付言しておくと、上記以外の位置固定手段、たとえばシールガラスボンディング、接着ならびに、たとえば第２のアンカ３ａ，３ｂ上の電気的な加熱エレメントによる局所的な活性化も同じく考えられる。

図２には、本発明の第２実施形態によるマイクロメカニカル型の構成エレメントの概略的な横断面図が示されている。

図２に示した第２実施形態では、図１の金属層範囲３ｄが取り除かれている。この第２実施形態では、加熱装置ＨＥにより規定されたアーム３ｃの加熱により、材料軟化しか生ぜしめられない。曲げは重力の影響を受け、かつ印加された電圧Ｕにより生ぜしめられる基板１と第２のアンカ３ａ，３ｂとの間での静電気的な吸引力の影響を受けて行われる。

図３ａおよび図３ｂには、本発明の第３実施形態によるマイクロメカニカル型の構成エレメントの概略的な横断面図が示されている。

図３ａおよび図３ｂに示した第３実施形態では、上で説明した第１実施形態および第２実施形態とは異なり、１つのＴ字形の基本構造体ではなく、２つの絞首台形（galgenformig）の基本構造体から出発する。両絞首台形の基本構造体は中間室Ｚによって互いに間隔を置いて配置されて基板１上に設けられている。特に符号「３ｅ´」は２つの第１のアンカを示している。両第１のアンカ３ｅ´の側壁Ｓ１´；Ｓ１´´には、それぞれ１つのアーム３ｃ´が設けられている。各アーム３ｃ´の端部には、所属する第２のアンカ３ａ´：３ｂ´が設けられている。

次いで、既に図１もしくは図２につき説明した方法によって、第２のアンカ３ａ´：３ｂ´は基板１の表面Ｏと接触させられ、そしてこの表面Ｏに固く結合される。

引き続き、中間室Ｚ内で、旋回ビーム１０の旋回軸線Ａのための懸吊部５が実現される。この懸吊部５は、たとえば旋回軸線Ａおよび傾斜構造体３ｅ´，３ｃ´，３ａ´；３ｅ´，３ｃ´，３ｂ´に種々異なるポテンシャルを印加するために第１のアンカ３ｅ´から解離されていてよいが、しかし第１のアンカ３ｅ´に取り付けられていてもよい。したがって、傾斜構造体３ｅ´，３ｃ´，３ａ´；３ｅ´，３ｃ´，３ｂ´は、旋回方向Ｄに沿って風車翼のように旋回可能となる旋回ビーム１０のための懸吊部５の固定の支持を生ぜしめる。

図４には、本発明の第４実施形態によるマイクロメカニカル型の構成エレメントの概略的な横断面図が示されている。

図４に示した第４実施形態では、図１に示した第１実施形態とは異なり、第２のアンカ３ａ，３ｂが取り除かれている。第４実施形態では、アーム３ｃの外端部が、電圧源ＳＰの使用下での陽極ボンディングによって直接的に基板１の表面Ｏに結合される。

以上、本発明を有利な実施形態につき説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、種々様々な形に改良可能である。

上記実施形態においては、特定のＴ字形もしくは絞首台形のマイクロメカニカル型の構成エレメントが、曲げのための出発構造体として製作されたが、しかし原理的には、種々異なる方向に延在する任意の出発構造体が考えられるので、傾斜構造体を備えた任意の構成エレメントが本発明により簡単に製作可能となる。特にフィンガまたは絶縁された構造体を製作し、次いで適当な手段により変位させることができる。アームが、たとえばビーム状（梁状）ではなく面状に形成されていると、特に面状のダイヤフラムを変位させかつ位置固定することができる。この場合、場合によっては変位および位置固定の後に構造化を実施することができる。引き続き、曲げられた構造体の一部を構造化によって再び基板から解離させ、次いで出発平面にまで戻し緩和させることもできる。

アームの変位は上記実施形態においては熱的もしくは電気的に達成されたが、しかし別の手段、たとえば過圧または減圧、流れ等またはこれらのあらゆる組合せによって、アームの変位を付加的にまたは択一的に得ることもできる。

本発明による構成エレメントのための可能な使用領域は、前で述べたセンサもしくはアクチュエータの他に、とりわけ自動車分野におけるヘッドアップディスプレイまたは消費者分野におけるミニプロジェクタである。センサにおいては、特に慣性センサの領域において重要な使用領域が存在する。新しい市場であるライフサイエンスおよび医療技術のためのプロジェクトが評価されるマイクロフルイディクス（Mikrofluidik）においては、本発明による方法を用いて、やはり好都合な構造体を製作することができる。

Claims (5)

1. マイクロメカニカル型の構成エレメントであって：
   表面（Ｏ）を備えた基板（１）が設けられており；
   該基板（１）の表面（Ｏ）に設けられかつ該基板（１）から離れる方向に延びる第１のアンカ（３ｅ；３ｅ´）が設けられており；
   該第１のアンカ（３ｅ；３ｅ´）の側面（Ｓ１，Ｓ２；Ｓ１´；Ｓ２´）に設けられた少なくとも１つのアーム（３ｃ，３ｄ；３ｃ´）が設けられており、該アーム（３ｃ，３ｄ；３ｃ´）が、第１のアンカ（３ｅ；３ｅ´）から斜めに離れる方向に向けられており；
   ２つの第１のアンカ（３ｅ´）が、前記基板（１）の表面（Ｏ）に、中間室（Ｚ）によって相互間隔を置いて配置されており、前記両第１のアンカ（３ｅ´）が、各アーム（３ｃ´）を介して前記基板（１）の表面（Ｏ）に結合されており、前記中間室（Ｚ）内に、旋回ビーム（１０）の旋回軸線（Ａ）のための懸吊部（５）が設けられている；
   ことを特徴とする、マイクロメカニカル型の構成エレメント。
2. 前記旋回ビーム（１０）の旋回軸線（Ａ）のための懸吊部（５）が、前記両第１のアンカ（３ｅ´）に取り付けられている、請求項１記載のマイクロメカニカル型の構成エレメント。
3. 前記アーム（３ｃ，３ｄ）が、多層構造体を有している、請求項１または２記載のマイクロメカニカル型の構成エレメント。
4. 前記アーム（３ｃ，３ｄ；３ｃ；３ｃ´）が、湾曲させられている、請求項１から３までのいずれか１項記載のマイクロメカニカル型の構成エレメント。
5. 前記アーム（３ｃ，３ｄ；３ｃ；３ｃ´）が、ビーム形または面形に形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のマイクロメカニカル型の構成エレメント。

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