曲げ変形を受ける梁を有するマイクロエレクトロメカニカルシステム
【課題】製造するのが容易で、かつ高い変形率を有するマイクロエレクトロメカニカルシステムを提案する。
【解決手段】マイクロエレクトロメカニカルシステムは梁１と、静電相互作用によって梁に結合された電極１０とを有する。梁は、弾性曲げ変形を受けるように構成され、概ね一定の断面を有している。梁１は、梁の全長Ｌにわたり延び、各々が断面の外側寸法ｗ、ｔよりも小さい厚さを有する４つの平坦な面Ｐ1〜Ｐ4からなっている。これによって、梁１の曲げ振動周波数が、同じ外側寸法のソリッドな梁と比較して大きくなる。このようなマイクロエレクトロメカニカルシステムは、非常に短い遷移時間を必要とする用途、すなわち高周波発振器および共振器を製造するのに適している。
【解決手段】マイクロエレクトロメカニカルシステムは梁１と、静電相互作用によって梁に結合された電極１０とを有する。梁は、弾性曲げ変形を受けるように構成され、概ね一定の断面を有している。梁１は、梁の全長Ｌにわたり延び、各々が断面の外側寸法ｗ、ｔよりも小さい厚さを有する４つの平坦な面Ｐ1〜Ｐ4からなっている。これによって、梁１の曲げ振動周波数が、同じ外側寸法のソリッドな梁と比較して大きくなる。このようなマイクロエレクトロメカニカルシステムは、非常に短い遷移時間を必要とする用途、すなわち高周波発振器および共振器を製造するのに適している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、曲げ変形を受けるように作られた梁（ｂｅａｍ）を有するマイクロエレクトロメカニカルシステム、すなわちＭＥＭＳに関する。本発明は、このようなマイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
電子装置に組み込まれることが意図された種々のマイクロエレクトロメカニカルシステムが公知である。例えば、非特許文献１は、種々の構成のマイクロエレクトロメカニカルシステムを記載している。これらのマイクロエレクトロメカニカルシステムの中で、あるものは、弾性曲げ変形を受けることが意図された梁を有し、他のものは、弾性輪郭変化（ｅｌａｓｔｉｃ ｃｏｎｔｏｕｒ ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ）と称される変化を示すことが意図されたボリューム（ｖｏｌｕｍｅ）を有している。体積輪郭変化を受けているマイクロエレクトロメカニカルシステムは、特に高い変形周波数を示し、これらは多くの用途に適している。しかし、それらは製造するのが困難で、したがってコストが高い。
【０００３】
曲げ変形を受けることが意図された梁を有するマイクロエレクトロメカニカルシステムは製造するのが比較的容易であり、高価ではない。しかし、梁の曲げ変形周波数は特定の用途には非常に低過ぎる。
【０００４】
図１ａおよび図１ｂは、このような曲げ梁を用いたマイクロエレクトロメカニカルシステムを示している。図１ａはマイクロエレクトロメカニカルシステムの斜視図であり、図１ｂは梁の中央面の横断面図である。梁１は、長手方向Ｄに沿って所定の長さＬを有し、方向Ｄに垂直な面に、長さＬの少なくとも主要部分にわたり概ね一定の断面を有している。梁は、弾性曲げ変形を受けるように作られている。
【０００５】
図示の特定の例では、梁１の厚さｔはその幅ｗよりも小さいので、断面は細長い長方形をしている。梁１は、この薄い厚さｔのために、梁１の基本部分が、厚さｔの方向に平行な方向Ｎの振動によって変位するように弾性曲げ変形を受けるように作られている。梁１は、梁の両端に設けられ、参照番号２および３で示された２つのリンクによって、マイクロエレクトロメカニカルシステムの基板１００に機械的に連結されている。図１ｂの破線Ｖは、梁１が曲げ振動を受けたときに、梁１の長手方向の線の考えられる１つの変形を示している。
【０００６】
このような梁は、各モードが梁の全長に沿って位置する多くの振動ノードを有する種々のモードの曲げ変形を受けることがあることが知られている。梁は種々の断面、例えばその厚さおよび幅を変えた断面を有することがあることも知られている。最後に、マイクロエレクトロメカニカルシステムは、梁が種々の方向に、特に基板１００に対して曲げ変形を受けることにある。
【０００７】
マイクロエレクトロメカニカルシステムは、静電相互作用によって梁と電気的に連結された少なくとも１つの電極１０をさらに含んでいる。このために、梁１は、電極１０の一部Ｐに概ね向き合って位置する梁の一部分が電極と共にコンデンサを形成するように、導電材料で作られるかまたは導電被膜を有していてもよい。次に、電圧Ｕを梁１と電極１０の間に印加することができる。電圧Ｕは、電極１０によって梁１に作用する、方向Ｎに平行な静電力を発生する。これによって、梁１は曲げ変形を受ける。
【非特許文献１】２００１年７月４〜６日にシンガポールで開催された２０００年、国際ＭＥＭＳワークショップ（ｉＭＥＭＳ’０１）の会報、２１〜３４頁に記載されているクラーク Ｔ．、Ｃ．グエンによる「低消費電力無線通信用振動高周波ＭＥＭＳ」という表題の論文（ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｅｎｔｉｔｌｅｄ ”Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ＲＦ ＭＥＭＳ ｆｏｒ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ” ｂｙ Ｃｌａｒｋ Ｔ．−Ｃ． Ｎｇｕｙｅｎ， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ， ２０００ Ｉｎｔ． ＭＥＭＳ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ （ｉＭＥＭＳ’０１）， Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ，Ｊｕｌｙ４−６，２００１，ｐｐ．２１−３４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
梁と電極の非常に多くの構成が用いられてきたが、それらの構成は、マイクロエレクトロメカニカルシステムの特定の用途に対しては低すぎる梁変形率に対応している。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、製造するのが容易で、かつ高い変形率を有するマイクロエレクトロメカニカルシステムを提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このため、本発明は、長手方向に所定の長さを有する梁と、静電相互作用によって梁に連結された少なくとも１つの固定電極とを有し、梁が、弾性曲げ変形を受けるように作られており、かつ長手方向に垂直な平坦な平面内に、梁の全長の少なくとも主要部分にわたって概ね一定の断面を有するマイクロエレクトロメカニカルシステムを提案する。梁は、該梁の全長の主要部分にわたって延びる数個の平坦な面を有し、数個の平坦な面は長手方向に平行な複数の線に沿って互いに接続されており、各平坦な面は断面の少なくとも１つの外側寸法よりも小さい厚さを有している。すなわち、本マイクロエレクトロメカニカルシステムの梁は、切り抜かれた断面を有するか、または中空の梁である。
【００１１】
このような断面のおかげで、梁はより高速に曲げ変形を受けることができるので、本マイクロエレクトロメカニカルシステムを、高速な遷移または高い発振周波数を必要とする用途に使用することができる。特に、本マイクロシステムはスイッチまたは発振器に組み込むことができ、あるいは、加速度計または共振器として使用してもよい。
【００１２】
平坦な面の少なくとも１つの面の厚さは、断面の外側寸法よりも、例えば少なくとも４倍小さくてもよい。このような梁は比較的軽量で、その結果、変形しても、梁は慣性をほとんど示さないが、高い剛性をなお保持している。したがって、その変形は高速である。
【００１３】
任意に、電極を本マイクロエレクトロメカニカルシステムの基板と梁の間に配置してもよい。したがって、本マイクロエレクトロメカニカルシステムは非常にコンパクトな構成を有している。
【００１４】
本発明によるマイクロエレクトロメカニカルシステムの１つの利点は、梁が曲げ変形を受けるということから生じる。その理由は、梁の曲げ変形が大きな振幅を有すると仮定した場合、梁と電極を、梁と電極のそれぞれの寸法および位置が高精度であることを必要とすることなく、容易に製造することができるからである。
【００１５】
本発明は、上記の種類の曲げ梁のマイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する方法をも提供する。このような方法は、
ａ）第２の材料に対して選択的にエッチング可能な第１の材料で作られた部分を剛体の基板上に形成する工程と、
ｂ）第１の材料の部分の、基板とは反対側に第２の材料で作られ、かつ長手方向に沿った所定の長さにわたって第１の材料の前記部分の上を延びる梁を形成する工程と、
ｃ）基板と梁の間に第１の空き空間を形成するように、第１の材料を第２の材料に対して選択的にエッチングする工程と、
を有している。
【００１６】
この方法は、静電相互作用によって梁に連結されるように作られた少なくとも１つの電極を基板上に形成する工程をさらに含む。
【００１７】
本発明によれば、方法の工程ｂ）は、梁の全長の少なくとも主要部分にわたって延び、かつ長手方向に垂直な平面内に、梁の全長の主要部分にわたって概ね一定の断面を形成する数個の平坦な面であって、長手方向に平行な線に沿って一緒に接続され、断面の少なくとも１つの外側寸法よりも小さい厚さを有する数個の平坦な面を形成することを含む。
【００１８】
このような方法は、梁の断面が、正方形または長方形の外形を有し、組になって直交する４つの平坦な面によって形成されている、閉じた断面である場合、または断面がＵ字形またはＨ形である場合には、非常に容易に実施することができる。その理由は、本マイクロエレクトロメカニカルシステムの指定された部分をマスクするマスキング工程と、材料を堆積する工程と、簡単で制御が良好なエッチング工程とを組み合わせることによって梁を製造できるからである。このような工程は、例えば、集積電子回路を製造するのに用いられる技術から借用してもよい。特に、梁は、シリコンまたはシリコン−ゲルマニウム合金をベースにしているのが有利である。これは、これらの材料に対して、非常によく制御された選択的エッチングプロセスが存在し、したがって定められた断面を正確に生成できるからである。
【００１９】
したがって、本マイクロエレクトロメカニカルシステムは集積回路の製造ラインで製造することができる。本マイクロエレクトロメカニカルシステムを製造するのに使用される材料を適切に選択することによって、特に、集積回路の製造ラインのフロントエンドにおいて製造することができる。この場合、本マイクロエレクトロメカニカルシステムは、電子回路も載せるように意図された基板上に製造することができる。これによって、所定の複合機能を実行するために本マイクロエレクトロメカニカルシステムと電子回路の両方を組み込んだ、非常にコンパクトで廉価な１つの装置を得ることができる。本マイクロエレクトロメカニカルシステムと電子回路は、同じ製造ライン上でも製造してもよい。
【００２０】
梁の平坦な面は種々の方法を使用して製造してもよい。
【００２１】
第１の方法によれば、梁は、その梁が最初にいくつかの平坦な面を有するように直接形成される。これによって、梁は、その形状から直接、最終的な断面を有する。
【００２２】
第２の方法によれば、細長い構造が先ず形成され、次に、平坦な面が細長い構造の残り部分からなるようにエッチングされてもよい。本製造方法は、梁の少なくとも２つの平坦な面の間に第２の空き空間を形成する工程ｄ）をさらに含んでいてもよい。この場合、工程ｃ）と工程ｄ）は、特に、本マイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する方法における工程の数を減らすために、同時に行われるのが好ましい。
【００２３】
梁を製造するこの第２の方法を実施する１つの特別の方法によれば、梁は、断面が梁の全長の主要部分にわたって延びる一時的な材料のコアを少なくとも部分的に囲むように、工程ｂ）において形成されてもよい。これによって、工程ｄ）は、第２の空き空間を形成するように、コアの選択的に除去することを含む。
【００２４】
任意に、電極は、工程ａ）の前に基板上に形成されてもよい。これによって、電極は、本マイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する最終状態では、基板と梁の間に配置される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照してなされる、限定されない実施形態に関する以下の説明において明白になるであろう。
【００２６】
説明を分かりやすくするために、図に示す種々の要素は、一定の縮尺では描かれていない。図１、および図２ａから図２ｆは、上で本発明のマイクロエレクトロメカニカルシステムが製造される実質的に平坦な基板の透視図である。基板は各図の下部にあり、Ｎは基板の表面に垂直な方向を表し、各図では上方を向いている。以降の説明では、用語「上」、「下」、「下方」、および「上方」は、この向きを基準として使用する。さらに、すべての図において、同一の参照番号は同一の構成要素に対応している。
【００２７】
次に、本発明によるマイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する方法を、図２ａから図２ｆを参照して説明する。この説明では、集積電子回路の製造から知られている方法の基本的工程は、詳細には説明しない。ここでは、マイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する個々の工程の順序のみを説明する。
【００２８】
図２ａによれば、基板は、例えばシリカ（ＳｉＯ２）の層１０１で被覆された単結晶シリコン（Ｓｉ）で作られた基板ベース１００を有している。層１０１は電気的に絶縁である。ストリップ１０が層１０１上の中央部に配置されている。ストリップ１０は、電気的に伝導性のシリコン−ゲルマニウム（Ｓｉ−Ｇｅ）合金で作られていてもよい。ストリップ１０は、上面がＣＭＰ（化学的機械的研磨）によって平坦化されたシリコンのボリューム１０２によって覆われている。ボリューム１０２はそれ自体、同じく上面が平坦化されたシリコン−ゲルマニウム合金のボリューム１０３によって覆われている。最後に、ボリューム１０３はシリコン層１０４で覆われる。このような構造は、シリコンまたはシリコン−ゲルマニウム合金のエピタキシアルデポジション、マスキング、およびエッチングの各工程を組み合わせることによって、集積回路の設計および製造の専門家によって容易に作られる。特に、基板ベース１００、層１０１、およびボリューム１０２の少なくとも一部は、集積電子回路を製造するためのＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）技術で用いられる基板から得ることができ、市販されている。したがって、ストリップ１０の材料、ボリューム１０２および１０３の材料、および層１０４の材料も、実質的に単結晶の材料である。
【００２９】
ストリップ１０、ボリューム１０２、ボリューム１０３、および層１０４のそれぞれのＮ方向の厚さはｈ1、ｈ2、ｈ3、およびｈ4で示され、ｈ1はｈ2より小さく、ｈ2自身はｈ3よりも小さい。例えば、次の近似値、すなわち、ｈ1は０．０２マイクロメータ（ミクロン）に等しく、ｈ2は１．０マイクロメータに等しく、ｈ3は１．１マイクロメータに等しく、ｈ4は０．８マイクロメータに等しい、を取ることができる。ストリップ１０、ボリューム１０２、およびボリューム１０３はそれぞれこの順序に大きい、方向Ｄの幅を有している。
【００３０】
層１０４は次に、約０．８マイクロメータに等しい幅ｖを持ち、方向Ｄに平行なストリップの形状をしたマスク（不図示）によって覆われる。層１０４は次に、シリコンをシリコン−ゲルマニウム合金上で優先的にエッチングする、例えば選択エッチングプロセスを用いて、マスクされた以外の部分がエッチングされる。このような選択エッチングプロセスは当業者に良く知られているのでここでは説明しない。以下の説明では、このエッチングを第１のエッチング工程と呼ぶ。このようにして、方向Ｄに平行で、幅ｖ、厚さｈ4を有するシリコンストリップ１１が、ボリューム１０３上に形成される（図２ｂ）。次に、マスクが取り除かれる。
【００３１】
次に、シリコン−ゲルマニウム合金がエピタキシャル成長によって、ボリューム１０３およびストリップ１１上に堆積される。したがって、ボリューム１０３上のストリップ１１の起伏（ｒｅｌｉｅｆ）に対してコンフォーマル（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ）な合金層１０３ａが形成される。層１０３ａの堆積は、層１０３ａの厚さｙが約０．１マイクロメータになるまで、続けられる（図２ｃ）。
【００３２】
図２ｄにおいて参照記号Ｍで示される第２のマスクが、ストリップ１１の真上になるように層１０３ａ上に形成される。マスクＭは、基板ベース１００の表面に平行で、かつ方向Ｄに垂直な方向に沿って、ｖより大きな、例えば１．０ マイクロメータに等しい幅を有している。さらに、マスクＭは、ボリューム１０２の幅と１０３の幅の中間の大きさの、方向Ｄに沿った長さＬを有している。マスクＭは、ストリップ１１とボリューム１０２の両方に対して中心に位置するように、基板基板１００の表面に平行な面内で、層１０３ａ上に配置される。
【００３３】
次に、第２のエッチング工程が、方向Ｎに沿って加速された微粒子の流れ（ｆｌｕｘ）Ｆを使用して、それと逆方向に行われる。流れＦは層１０３ａの上面を向いている（図２ｄ）。この第２のエッチング動作は、層１０３ａの露出部が完全に除去されるまで続けられる。任意に、第２のエッチング工程は、ボリューム１０３、そして１０２のそれぞれの上部をも除去するように継続してもよい（図２ｅ）。したがって、ボリューム１０２および１０３はそれぞれ、図２ｄおよび図２ｅにおいてｈ’3で示された、Ｎ方向の概ね等しい厚さを有している。例えば、ｈ’3は約０．８マイクロメータに等しい。同時に、異方性エッチング工程が、方向Ｄに沿ってストリップ１１の各側に位置する２つの端面Ｅ１およびＥ２を形成する。
【００３４】
マスクＭが除去され、異方性タイプの第３のエッチング工程が、シリカ層１０１上に残った実質的にゲルマニウムのないこれらのシリコン部分を選択的に除去するために行われる。第１のエッチング工程において用いたものと同一の選択的エッチング液を、この第３のエッチング工程で使用してもよい。このようにして、ボリューム１０２の残部は、流れＦによる異方性エッチング中に露出されたボリューム１０２の表面を介して除去される。こうして、第１の空き空間Ｖ1が、層１０１と、層１０３の残された上部との間に形成される（図２ｆ）。空き空間Ｖ1は、梁１とストリップ１０との間に、方向Ｎに沿った、ｈ2−ｈ1の厚さを有している。
【００３５】
このようにして、構造の、方向Ｄに沿った対向する端部に位置する２つの機械的なリンク２、３を介して層１０１に接続されたブリッジ構造が得られる。リンク２、３は、ボリューム１０３の残りの側面部分によって形成されている。ブリッジ構造は電気的に伝導性のシリコン−ゲルマニウム合金で作られている。ブリッジ構造は、ストリップ１０の上方に水平に配置された梁の形状をなし、なおかつストリップ１０から電気的に分離されている。この梁は、図２ｆにおいて参照番号１で示されている。梁１は、方向Ｄに沿って、マスクＭの長さに等しい長さ、つまり長さＬを有している。Ｌは、例えば１０マイクロメータに等しくてもよい。したがって、Ｄは梁１の長手方向である。
【００３６】
シリコンストリップ１１は、この第３のエッチング動作中に、ボリューム１０２の残部として同時に除去される。シリコンストリップ１１は、第２の空き空間Ｖ2が層１０３の残部と１０３ａの間に形成されるように、端面Ｅ1およびＥ2を介して除去される。図２ｆにおいて、湾曲した矢印は、エッチング液が、除去されることになっているゲルマニウムを含まないシリコン部分に近づく方向を示している。
【００３７】
梁１はこのように中空の梁になり、空き空間Ｖ２は、ストリップ１１ではなく梁１のコアに位置する。このため、ストリップ１１は、次に除去される一時的に使用される材料で作られている、梁１のコアと呼ばれる。
【００３８】
梁１は、外側の幅ｗ（＝ｖ＋２ｙ）が１．０マイクロメータである断面を有している（図３ａ）。この断面の４つの側面は、対になって直交する平坦な面Ｐ1、Ｐ2、Ｐ3、およびＰ4によって形成されており、かつ方向Ｄに平行なそれらの面の縁によって接続されている。平坦な面Ｐ1は、ｅ1＝ｈ3−ｈ2の厚さ、ここに記載する例においては０．１マイクロメータに等しい厚さのボリューム１０３の上部によって形成されている。平坦な面Ｐ2、Ｐ3、およびＰ4は、第２のエッチング工程中マスクＭによって保護されていた、層１０３ａの残部に対応する。それらは各々、図３ａでｅ2、ｅ3、およびｅ4で示されている、ｙに概ね等しい厚さ、すなわち約０．１マイクロメータの厚さを有している。厚さｅ1〜ｅ4は外側の幅ｗよりも小さい。
【００３９】
ｔで示された、梁１の方向Ｎの外側厚さは、ｈ4とｙとｈ3−ｈ2の合計に概ね等しい。これは約１．０マイクロメータに等しい。したがって、厚さｅ1〜ｅ4もｔより小さい。その結果、梁１は正方形の断面を有している（図３ａ）。
【００４０】
多くの変形例を、たった今説明した梁製造工程に取り入れてもよい。これらの変形例の中で、次のようなものを挙げることができる。
−梁の大きさ、すなわちその長さＬ、その内側の幅ｖ、その内部の高さｈ4、その外側の幅ｗ、およびその外側の厚さｔを変えてもよい。
−梁は、方向Ｎに対する向きが可変の、長方形（図３ｂ）、Ｕ字形（図３ｃ）、またはＨ形（図３ｄ）の断面を有してもよい。
−梁はシリコンで作られていてもよい。この場合、本マイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する工程中に選択的にエッチングされる層部分およびボリューム部分は、シリコン−ゲルマニウム合金で作られていてもよい。該合金を、ゲルマニウムを含まないシリコン部分に対して選択的にエッチングする選択エッチング工程も当業者にもよく知られており、既に詳細に説明した方法と同様にして用いることができる。
−梁は、電気的に絶縁性の材料で作られていてもよく、また電気的に伝導性の材料の層で少なくとも一部が覆われていてもよい。
−最後に、支持体２および３は、方向Ｄに沿った梁の両端以外の、梁１の長さ方向に沿った地点に位置していてもよい。特に、梁は、梁の曲げ振動固有モードのノードに対応する、梁の長さ方向に沿った地点に位置する少なくとも１つのリンクを介して、基板１００に機械的に接続されていてもよい。
【００４１】
下記の表１は、上で詳細に説明した製造方法から生じる梁の曲げ振動の周波数を比較したものである。これらの周波数が梁の最初の５つの振動固有モードに対して与えられ、同じ長さ（１０マイクロメータ）であるが、１．０マイクロメータの側面を有するソリッド（ｓｏｌｉｄ：中実）の正方形の断面を有する梁の周波数と比較されている。それらはメガヘルツ（ＭＨｚ）で表されている。
【００４２】
【表１】
【００４３】
これは、本発明が、梁の曲げ振動周波数を、第１の固有モードの場合に、同一の外側寸法を有するソリッドな梁に対して約１２％大きくできることを示している。同様に、第２の固有モードの曲げ振動周波数は約９％大きくなる。次の固有モードについては、本発明の梁の振動周波数は小さくなり、その結果振動数を本マイクロエレクトロメカニカルシステムの用途にしたがって調整することが可能になる。
【００４４】
本発明者は、本発明の補足的な実施例として、外側の寸法が６０マイクロメータ×６０マイクロメータの正方形の断面を持ち、長さが５００マイクロメータで、厚さが各々１０マイクロメータの４つの平坦な面から形成された第２の中空の梁を製作した。このような梁の第１の曲げ振動固有モードは２．１ＭＨｚの周波数を有している。比較のために、同じ長さで、かつ同じ外側寸法のソリッドな梁は、１．８０と１．８５ＭＨｚの間の第１の曲げ振動固有モード周波数を有している。
【００４５】
最後に、外側寸法が８マイクロメータ×８マイクロメータの正方形の断面を持ち、長さが５０マイクロメータの第３の中空の梁を製作した。この第３の梁は、厚さが各々１．４マイクロメータの４つの平坦な面から構成されている。第３の梁は、２４．５ＭＨｚの第１の曲げ振動固有モード周波数を有しているが、同じ外側寸法のソリッドな梁は約２３ＭＨｚの対応する周波数を有している。
【００４６】
ストリップ１０は、マイクロエレクトロメカニカルシステムの電極を構成し、かつ静電相互作用によって梁１に連結されている。すなわち、電圧が梁１とストリップ１０間に印加されているとき、梁１とストリップ１０の間に存在する分離空間に電界が存在する。この電界は、梁１に方向Ｎに平行な力を及ぼす。あるいは、電極は、ＭＯＳトランジスタのゲートを有していてもよい。
【００４７】
任意に、マイクロエレクトロメカニカルシステムは、静電相互作用によって梁１に連結された第２の電極をさらに含んでいてもよい。このような第２の電極は、本発明による曲げ梁のマイクロエレクトロメカニカルシステムを組み込んでいる特定の装置にとって必要かもしれない。この場合、２つの電極は、それぞれ、梁１の振動を励起する電極と、前記振動を検出する電極であってもよい。検出電極がＭＯＳトランジスタのゲートからなる場合、梁１の振動によって引き起こされた電気信号が検出され、この電気信号は、該トランジスタのソース−ドレイン間を流れる主電流の形で直接増幅される。この主電流は、梁１の曲げによって生じる、ゲートの電位の振動によって変調される。
【００４８】
上記した、曲げ梁のマイクロエレクトロメカニカルシステムは、種々のエレクトロメカニカル装置に組み込むことができる。該装置がマイクロスイッチの場合には、梁が速く変形することによって電気回路を著しく高速に開くことが可能になる。該装置が加速度計の場合、本発明の曲げ梁のマイクロエレクトロメカニカルシステムは、フレキシブルな薄板の形状をした曲げ梁を備えた加速度計の飽和または場合によっては破損につながるであろう大きな加速度を測定するのに適している。
【００４９】
本発明によるマイクロエレクトロメカニカルシステムを組み込んだ該装置が発振器または共振器の場合、発振固有周波数またはその第１の共振周波数は非常に高く、非常に多くの用途に適している。さらに、梁が、結晶質材料または単結晶材料で作られている場合、このような共振器の品質係数が著しく高くなることがある。これは、梁がシリコンで作られ、ゲルマニウムを含んでいない場合に、結晶材料の格子欠陥は非常に少ないので、特に当てはまるであろう。
【００５０】
最後に、詳細に説明したマイクロエレクトロメカニカルシステムは、集積回路の製造ラインのフロントエンドにおいて製造されるのに適している。本発明によるこのようなマイクロエレクトロメカニカルシステムを、集積回路の製造ラインのバックエンドにおいて製造してもよい。この場合、梁１は窒化物タイプの材料で作られてもよく、電極１０は金で作られてもよく、ボリューム１０２は樹脂または重合体で作られていてもよい。その際、梁１が電気的に絶縁性であるとすると、梁１は、金で作られていてもよいカウンタ電極を備えている必要がある。このカウンタ電極は、電極１０と協働するように電極１０に向き合った梁１上に配置される。さらに、製造ラインのバックエンドにおいて製造されたマイクロエレクトロメカニカルシステムは、回路とマイクロシステムの組立て体に対して得られる集積度より大きくなるように、基板上に生成された集積回路の上方に配置してもよい。このような構成は、「ＩＣ（ＩＣは「集積回路」を表す）上の集積化」と呼ばれている。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１ａ】従来技術から知られているマイクロエレクトロメカニカルシステムを示す図である。
【図１ｂ】従来技術から知られているマイクロエレクトロメカニカルシステムを図である。
【図２ａ】本発明による、キャビティ化された正方形断面を有する曲げ梁のマイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する方法の工程を示す図である。
【図２ｂ】本発明による、キャビティ化された正方形断面を有する曲げ梁のマイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する方法の工程を示す図である。
【図２ｃ】本発明による、キャビティ化された正方形断面を有する曲げ梁のマイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する方法の工程を示す図である。
【図２ｄ】本発明による、キャビティ化された正方形断面を有する曲げ梁のマイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する方法の工程を示す図である。
【図２ｅ】本発明による、キャビティ化された正方形断面を有する曲げ梁のマイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する方法の工程を示す図である。
【図２ｆ】本発明による、キャビティ化された正方形断面を有する曲げ梁のマイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する方法の工程を示す図である。
【図３ａ】本発明の他の実施形態を示す図である。
【図３ｂ】本発明の他の実施形態を示す図である。
【図３ｃ】本発明の他の実施形態を示す図である。
【図３ｄ】本発明の他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１ 梁
２、３ 梁１の端
１０ ストリップ
１１ シリコンストリップ
１００ 基板ベース
１０１ シリカ層
１０２、１０３ ボリューム
１０３ａ 合金層
１０４ シリコン層
Ｌ 梁１の長さ
ｔ 梁１の厚さ
ｗ 梁１の幅
ｅ1〜ｅ4 厚さ
Ｐ1〜Ｐ4 平坦な面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、曲げ変形を受けるように作られた梁（ｂｅａｍ）を有するマイクロエレクトロメカニカルシステム、すなわちＭＥＭＳに関する。本発明は、このようなマイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
電子装置に組み込まれることが意図された種々のマイクロエレクトロメカニカルシステムが公知である。例えば、非特許文献１は、種々の構成のマイクロエレクトロメカニカルシステムを記載している。これらのマイクロエレクトロメカニカルシステムの中で、あるものは、弾性曲げ変形を受けることが意図された梁を有し、他のものは、弾性輪郭変化（ｅｌａｓｔｉｃ ｃｏｎｔｏｕｒ ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ）と称される変化を示すことが意図されたボリューム（ｖｏｌｕｍｅ）を有している。体積輪郭変化を受けているマイクロエレクトロメカニカルシステムは、特に高い変形周波数を示し、これらは多くの用途に適している。しかし、それらは製造するのが困難で、したがってコストが高い。
【０００３】
曲げ変形を受けることが意図された梁を有するマイクロエレクトロメカニカルシステムは製造するのが比較的容易であり、高価ではない。しかし、梁の曲げ変形周波数は特定の用途には非常に低過ぎる。
【０００４】
図１ａおよび図１ｂは、このような曲げ梁を用いたマイクロエレクトロメカニカルシステムを示している。図１ａはマイクロエレクトロメカニカルシステムの斜視図であり、図１ｂは梁の中央面の横断面図である。梁１は、長手方向Ｄに沿って所定の長さＬを有し、方向Ｄに垂直な面に、長さＬの少なくとも主要部分にわたり概ね一定の断面を有している。梁は、弾性曲げ変形を受けるように作られている。
【０００５】
図示の特定の例では、梁１の厚さｔはその幅ｗよりも小さいので、断面は細長い長方形をしている。梁１は、この薄い厚さｔのために、梁１の基本部分が、厚さｔの方向に平行な方向Ｎの振動によって変位するように弾性曲げ変形を受けるように作られている。梁１は、梁の両端に設けられ、参照番号２および３で示された２つのリンクによって、マイクロエレクトロメカニカルシステムの基板１００に機械的に連結されている。図１ｂの破線Ｖは、梁１が曲げ振動を受けたときに、梁１の長手方向の線の考えられる１つの変形を示している。
【０００６】
このような梁は、各モードが梁の全長に沿って位置する多くの振動ノードを有する種々のモードの曲げ変形を受けることがあることが知られている。梁は種々の断面、例えばその厚さおよび幅を変えた断面を有することがあることも知られている。最後に、マイクロエレクトロメカニカルシステムは、梁が種々の方向に、特に基板１００に対して曲げ変形を受けることにある。
【０００７】
マイクロエレクトロメカニカルシステムは、静電相互作用によって梁と電気的に連結された少なくとも１つの電極１０をさらに含んでいる。このために、梁１は、電極１０の一部Ｐに概ね向き合って位置する梁の一部分が電極と共にコンデンサを形成するように、導電材料で作られるかまたは導電被膜を有していてもよい。次に、電圧Ｕを梁１と電極１０の間に印加することができる。電圧Ｕは、電極１０によって梁１に作用する、方向Ｎに平行な静電力を発生する。これによって、梁１は曲げ変形を受ける。
【非特許文献１】２００１年７月４〜６日にシンガポールで開催された２０００年、国際ＭＥＭＳワークショップ（ｉＭＥＭＳ’０１）の会報、２１〜３４頁に記載されているクラーク Ｔ．、Ｃ．グエンによる「低消費電力無線通信用振動高周波ＭＥＭＳ」という表題の論文（ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｅｎｔｉｔｌｅｄ ”Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ＲＦ ＭＥＭＳ ｆｏｒ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ” ｂｙ Ｃｌａｒｋ Ｔ．−Ｃ． Ｎｇｕｙｅｎ， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ， ２０００ Ｉｎｔ． ＭＥＭＳ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ （ｉＭＥＭＳ’０１）， Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ，Ｊｕｌｙ４−６，２００１，ｐｐ．２１−３４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
梁と電極の非常に多くの構成が用いられてきたが、それらの構成は、マイクロエレクトロメカニカルシステムの特定の用途に対しては低すぎる梁変形率に対応している。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、製造するのが容易で、かつ高い変形率を有するマイクロエレクトロメカニカルシステムを提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このため、本発明は、長手方向に所定の長さを有する梁と、静電相互作用によって梁に連結された少なくとも１つの固定電極とを有し、梁が、弾性曲げ変形を受けるように作られており、かつ長手方向に垂直な平坦な平面内に、梁の全長の少なくとも主要部分にわたって概ね一定の断面を有するマイクロエレクトロメカニカルシステムを提案する。梁は、該梁の全長の主要部分にわたって延びる数個の平坦な面を有し、数個の平坦な面は長手方向に平行な複数の線に沿って互いに接続されており、各平坦な面は断面の少なくとも１つの外側寸法よりも小さい厚さを有している。すなわち、本マイクロエレクトロメカニカルシステムの梁は、切り抜かれた断面を有するか、または中空の梁である。
【００１１】
このような断面のおかげで、梁はより高速に曲げ変形を受けることができるので、本マイクロエレクトロメカニカルシステムを、高速な遷移または高い発振周波数を必要とする用途に使用することができる。特に、本マイクロシステムはスイッチまたは発振器に組み込むことができ、あるいは、加速度計または共振器として使用してもよい。
【００１２】
平坦な面の少なくとも１つの面の厚さは、断面の外側寸法よりも、例えば少なくとも４倍小さくてもよい。このような梁は比較的軽量で、その結果、変形しても、梁は慣性をほとんど示さないが、高い剛性をなお保持している。したがって、その変形は高速である。
【００１３】
任意に、電極を本マイクロエレクトロメカニカルシステムの基板と梁の間に配置してもよい。したがって、本マイクロエレクトロメカニカルシステムは非常にコンパクトな構成を有している。
【００１４】
本発明によるマイクロエレクトロメカニカルシステムの１つの利点は、梁が曲げ変形を受けるということから生じる。その理由は、梁の曲げ変形が大きな振幅を有すると仮定した場合、梁と電極を、梁と電極のそれぞれの寸法および位置が高精度であることを必要とすることなく、容易に製造することができるからである。
【００１５】
本発明は、上記の種類の曲げ梁のマイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する方法をも提供する。このような方法は、
ａ）第２の材料に対して選択的にエッチング可能な第１の材料で作られた部分を剛体の基板上に形成する工程と、
ｂ）第１の材料の部分の、基板とは反対側に第２の材料で作られ、かつ長手方向に沿った所定の長さにわたって第１の材料の前記部分の上を延びる梁を形成する工程と、
ｃ）基板と梁の間に第１の空き空間を形成するように、第１の材料を第２の材料に対して選択的にエッチングする工程と、
を有している。
【００１６】
この方法は、静電相互作用によって梁に連結されるように作られた少なくとも１つの電極を基板上に形成する工程をさらに含む。
【００１７】
本発明によれば、方法の工程ｂ）は、梁の全長の少なくとも主要部分にわたって延び、かつ長手方向に垂直な平面内に、梁の全長の主要部分にわたって概ね一定の断面を形成する数個の平坦な面であって、長手方向に平行な線に沿って一緒に接続され、断面の少なくとも１つの外側寸法よりも小さい厚さを有する数個の平坦な面を形成することを含む。
【００１８】
このような方法は、梁の断面が、正方形または長方形の外形を有し、組になって直交する４つの平坦な面によって形成されている、閉じた断面である場合、または断面がＵ字形またはＨ形である場合には、非常に容易に実施することができる。その理由は、本マイクロエレクトロメカニカルシステムの指定された部分をマスクするマスキング工程と、材料を堆積する工程と、簡単で制御が良好なエッチング工程とを組み合わせることによって梁を製造できるからである。このような工程は、例えば、集積電子回路を製造するのに用いられる技術から借用してもよい。特に、梁は、シリコンまたはシリコン−ゲルマニウム合金をベースにしているのが有利である。これは、これらの材料に対して、非常によく制御された選択的エッチングプロセスが存在し、したがって定められた断面を正確に生成できるからである。
【００１９】
したがって、本マイクロエレクトロメカニカルシステムは集積回路の製造ラインで製造することができる。本マイクロエレクトロメカニカルシステムを製造するのに使用される材料を適切に選択することによって、特に、集積回路の製造ラインのフロントエンドにおいて製造することができる。この場合、本マイクロエレクトロメカニカルシステムは、電子回路も載せるように意図された基板上に製造することができる。これによって、所定の複合機能を実行するために本マイクロエレクトロメカニカルシステムと電子回路の両方を組み込んだ、非常にコンパクトで廉価な１つの装置を得ることができる。本マイクロエレクトロメカニカルシステムと電子回路は、同じ製造ライン上でも製造してもよい。
【００２０】
梁の平坦な面は種々の方法を使用して製造してもよい。
【００２１】
第１の方法によれば、梁は、その梁が最初にいくつかの平坦な面を有するように直接形成される。これによって、梁は、その形状から直接、最終的な断面を有する。
【００２２】
第２の方法によれば、細長い構造が先ず形成され、次に、平坦な面が細長い構造の残り部分からなるようにエッチングされてもよい。本製造方法は、梁の少なくとも２つの平坦な面の間に第２の空き空間を形成する工程ｄ）をさらに含んでいてもよい。この場合、工程ｃ）と工程ｄ）は、特に、本マイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する方法における工程の数を減らすために、同時に行われるのが好ましい。
【００２３】
梁を製造するこの第２の方法を実施する１つの特別の方法によれば、梁は、断面が梁の全長の主要部分にわたって延びる一時的な材料のコアを少なくとも部分的に囲むように、工程ｂ）において形成されてもよい。これによって、工程ｄ）は、第２の空き空間を形成するように、コアの選択的に除去することを含む。
【００２４】
任意に、電極は、工程ａ）の前に基板上に形成されてもよい。これによって、電極は、本マイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する最終状態では、基板と梁の間に配置される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照してなされる、限定されない実施形態に関する以下の説明において明白になるであろう。
【００２６】
説明を分かりやすくするために、図に示す種々の要素は、一定の縮尺では描かれていない。図１、および図２ａから図２ｆは、上で本発明のマイクロエレクトロメカニカルシステムが製造される実質的に平坦な基板の透視図である。基板は各図の下部にあり、Ｎは基板の表面に垂直な方向を表し、各図では上方を向いている。以降の説明では、用語「上」、「下」、「下方」、および「上方」は、この向きを基準として使用する。さらに、すべての図において、同一の参照番号は同一の構成要素に対応している。
【００２７】
次に、本発明によるマイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する方法を、図２ａから図２ｆを参照して説明する。この説明では、集積電子回路の製造から知られている方法の基本的工程は、詳細には説明しない。ここでは、マイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する個々の工程の順序のみを説明する。
【００２８】
図２ａによれば、基板は、例えばシリカ（ＳｉＯ２）の層１０１で被覆された単結晶シリコン（Ｓｉ）で作られた基板ベース１００を有している。層１０１は電気的に絶縁である。ストリップ１０が層１０１上の中央部に配置されている。ストリップ１０は、電気的に伝導性のシリコン−ゲルマニウム（Ｓｉ−Ｇｅ）合金で作られていてもよい。ストリップ１０は、上面がＣＭＰ（化学的機械的研磨）によって平坦化されたシリコンのボリューム１０２によって覆われている。ボリューム１０２はそれ自体、同じく上面が平坦化されたシリコン−ゲルマニウム合金のボリューム１０３によって覆われている。最後に、ボリューム１０３はシリコン層１０４で覆われる。このような構造は、シリコンまたはシリコン−ゲルマニウム合金のエピタキシアルデポジション、マスキング、およびエッチングの各工程を組み合わせることによって、集積回路の設計および製造の専門家によって容易に作られる。特に、基板ベース１００、層１０１、およびボリューム１０２の少なくとも一部は、集積電子回路を製造するためのＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）技術で用いられる基板から得ることができ、市販されている。したがって、ストリップ１０の材料、ボリューム１０２および１０３の材料、および層１０４の材料も、実質的に単結晶の材料である。
【００２９】
ストリップ１０、ボリューム１０２、ボリューム１０３、および層１０４のそれぞれのＮ方向の厚さはｈ1、ｈ2、ｈ3、およびｈ4で示され、ｈ1はｈ2より小さく、ｈ2自身はｈ3よりも小さい。例えば、次の近似値、すなわち、ｈ1は０．０２マイクロメータ（ミクロン）に等しく、ｈ2は１．０マイクロメータに等しく、ｈ3は１．１マイクロメータに等しく、ｈ4は０．８マイクロメータに等しい、を取ることができる。ストリップ１０、ボリューム１０２、およびボリューム１０３はそれぞれこの順序に大きい、方向Ｄの幅を有している。
【００３０】
層１０４は次に、約０．８マイクロメータに等しい幅ｖを持ち、方向Ｄに平行なストリップの形状をしたマスク（不図示）によって覆われる。層１０４は次に、シリコンをシリコン−ゲルマニウム合金上で優先的にエッチングする、例えば選択エッチングプロセスを用いて、マスクされた以外の部分がエッチングされる。このような選択エッチングプロセスは当業者に良く知られているのでここでは説明しない。以下の説明では、このエッチングを第１のエッチング工程と呼ぶ。このようにして、方向Ｄに平行で、幅ｖ、厚さｈ4を有するシリコンストリップ１１が、ボリューム１０３上に形成される（図２ｂ）。次に、マスクが取り除かれる。
【００３１】
次に、シリコン−ゲルマニウム合金がエピタキシャル成長によって、ボリューム１０３およびストリップ１１上に堆積される。したがって、ボリューム１０３上のストリップ１１の起伏（ｒｅｌｉｅｆ）に対してコンフォーマル（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ）な合金層１０３ａが形成される。層１０３ａの堆積は、層１０３ａの厚さｙが約０．１マイクロメータになるまで、続けられる（図２ｃ）。
【００３２】
図２ｄにおいて参照記号Ｍで示される第２のマスクが、ストリップ１１の真上になるように層１０３ａ上に形成される。マスクＭは、基板ベース１００の表面に平行で、かつ方向Ｄに垂直な方向に沿って、ｖより大きな、例えば１．０ マイクロメータに等しい幅を有している。さらに、マスクＭは、ボリューム１０２の幅と１０３の幅の中間の大きさの、方向Ｄに沿った長さＬを有している。マスクＭは、ストリップ１１とボリューム１０２の両方に対して中心に位置するように、基板基板１００の表面に平行な面内で、層１０３ａ上に配置される。
【００３３】
次に、第２のエッチング工程が、方向Ｎに沿って加速された微粒子の流れ（ｆｌｕｘ）Ｆを使用して、それと逆方向に行われる。流れＦは層１０３ａの上面を向いている（図２ｄ）。この第２のエッチング動作は、層１０３ａの露出部が完全に除去されるまで続けられる。任意に、第２のエッチング工程は、ボリューム１０３、そして１０２のそれぞれの上部をも除去するように継続してもよい（図２ｅ）。したがって、ボリューム１０２および１０３はそれぞれ、図２ｄおよび図２ｅにおいてｈ’3で示された、Ｎ方向の概ね等しい厚さを有している。例えば、ｈ’3は約０．８マイクロメータに等しい。同時に、異方性エッチング工程が、方向Ｄに沿ってストリップ１１の各側に位置する２つの端面Ｅ１およびＥ２を形成する。
【００３４】
マスクＭが除去され、異方性タイプの第３のエッチング工程が、シリカ層１０１上に残った実質的にゲルマニウムのないこれらのシリコン部分を選択的に除去するために行われる。第１のエッチング工程において用いたものと同一の選択的エッチング液を、この第３のエッチング工程で使用してもよい。このようにして、ボリューム１０２の残部は、流れＦによる異方性エッチング中に露出されたボリューム１０２の表面を介して除去される。こうして、第１の空き空間Ｖ1が、層１０１と、層１０３の残された上部との間に形成される（図２ｆ）。空き空間Ｖ1は、梁１とストリップ１０との間に、方向Ｎに沿った、ｈ2−ｈ1の厚さを有している。
【００３５】
このようにして、構造の、方向Ｄに沿った対向する端部に位置する２つの機械的なリンク２、３を介して層１０１に接続されたブリッジ構造が得られる。リンク２、３は、ボリューム１０３の残りの側面部分によって形成されている。ブリッジ構造は電気的に伝導性のシリコン−ゲルマニウム合金で作られている。ブリッジ構造は、ストリップ１０の上方に水平に配置された梁の形状をなし、なおかつストリップ１０から電気的に分離されている。この梁は、図２ｆにおいて参照番号１で示されている。梁１は、方向Ｄに沿って、マスクＭの長さに等しい長さ、つまり長さＬを有している。Ｌは、例えば１０マイクロメータに等しくてもよい。したがって、Ｄは梁１の長手方向である。
【００３６】
シリコンストリップ１１は、この第３のエッチング動作中に、ボリューム１０２の残部として同時に除去される。シリコンストリップ１１は、第２の空き空間Ｖ2が層１０３の残部と１０３ａの間に形成されるように、端面Ｅ1およびＥ2を介して除去される。図２ｆにおいて、湾曲した矢印は、エッチング液が、除去されることになっているゲルマニウムを含まないシリコン部分に近づく方向を示している。
【００３７】
梁１はこのように中空の梁になり、空き空間Ｖ２は、ストリップ１１ではなく梁１のコアに位置する。このため、ストリップ１１は、次に除去される一時的に使用される材料で作られている、梁１のコアと呼ばれる。
【００３８】
梁１は、外側の幅ｗ（＝ｖ＋２ｙ）が１．０マイクロメータである断面を有している（図３ａ）。この断面の４つの側面は、対になって直交する平坦な面Ｐ1、Ｐ2、Ｐ3、およびＰ4によって形成されており、かつ方向Ｄに平行なそれらの面の縁によって接続されている。平坦な面Ｐ1は、ｅ1＝ｈ3−ｈ2の厚さ、ここに記載する例においては０．１マイクロメータに等しい厚さのボリューム１０３の上部によって形成されている。平坦な面Ｐ2、Ｐ3、およびＰ4は、第２のエッチング工程中マスクＭによって保護されていた、層１０３ａの残部に対応する。それらは各々、図３ａでｅ2、ｅ3、およびｅ4で示されている、ｙに概ね等しい厚さ、すなわち約０．１マイクロメータの厚さを有している。厚さｅ1〜ｅ4は外側の幅ｗよりも小さい。
【００３９】
ｔで示された、梁１の方向Ｎの外側厚さは、ｈ4とｙとｈ3−ｈ2の合計に概ね等しい。これは約１．０マイクロメータに等しい。したがって、厚さｅ1〜ｅ4もｔより小さい。その結果、梁１は正方形の断面を有している（図３ａ）。
【００４０】
多くの変形例を、たった今説明した梁製造工程に取り入れてもよい。これらの変形例の中で、次のようなものを挙げることができる。
−梁の大きさ、すなわちその長さＬ、その内側の幅ｖ、その内部の高さｈ4、その外側の幅ｗ、およびその外側の厚さｔを変えてもよい。
−梁は、方向Ｎに対する向きが可変の、長方形（図３ｂ）、Ｕ字形（図３ｃ）、またはＨ形（図３ｄ）の断面を有してもよい。
−梁はシリコンで作られていてもよい。この場合、本マイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する工程中に選択的にエッチングされる層部分およびボリューム部分は、シリコン−ゲルマニウム合金で作られていてもよい。該合金を、ゲルマニウムを含まないシリコン部分に対して選択的にエッチングする選択エッチング工程も当業者にもよく知られており、既に詳細に説明した方法と同様にして用いることができる。
−梁は、電気的に絶縁性の材料で作られていてもよく、また電気的に伝導性の材料の層で少なくとも一部が覆われていてもよい。
−最後に、支持体２および３は、方向Ｄに沿った梁の両端以外の、梁１の長さ方向に沿った地点に位置していてもよい。特に、梁は、梁の曲げ振動固有モードのノードに対応する、梁の長さ方向に沿った地点に位置する少なくとも１つのリンクを介して、基板１００に機械的に接続されていてもよい。
【００４１】
下記の表１は、上で詳細に説明した製造方法から生じる梁の曲げ振動の周波数を比較したものである。これらの周波数が梁の最初の５つの振動固有モードに対して与えられ、同じ長さ（１０マイクロメータ）であるが、１．０マイクロメータの側面を有するソリッド（ｓｏｌｉｄ：中実）の正方形の断面を有する梁の周波数と比較されている。それらはメガヘルツ（ＭＨｚ）で表されている。
【００４２】
【表１】
【００４３】
これは、本発明が、梁の曲げ振動周波数を、第１の固有モードの場合に、同一の外側寸法を有するソリッドな梁に対して約１２％大きくできることを示している。同様に、第２の固有モードの曲げ振動周波数は約９％大きくなる。次の固有モードについては、本発明の梁の振動周波数は小さくなり、その結果振動数を本マイクロエレクトロメカニカルシステムの用途にしたがって調整することが可能になる。
【００４４】
本発明者は、本発明の補足的な実施例として、外側の寸法が６０マイクロメータ×６０マイクロメータの正方形の断面を持ち、長さが５００マイクロメータで、厚さが各々１０マイクロメータの４つの平坦な面から形成された第２の中空の梁を製作した。このような梁の第１の曲げ振動固有モードは２．１ＭＨｚの周波数を有している。比較のために、同じ長さで、かつ同じ外側寸法のソリッドな梁は、１．８０と１．８５ＭＨｚの間の第１の曲げ振動固有モード周波数を有している。
【００４５】
最後に、外側寸法が８マイクロメータ×８マイクロメータの正方形の断面を持ち、長さが５０マイクロメータの第３の中空の梁を製作した。この第３の梁は、厚さが各々１．４マイクロメータの４つの平坦な面から構成されている。第３の梁は、２４．５ＭＨｚの第１の曲げ振動固有モード周波数を有しているが、同じ外側寸法のソリッドな梁は約２３ＭＨｚの対応する周波数を有している。
【００４６】
ストリップ１０は、マイクロエレクトロメカニカルシステムの電極を構成し、かつ静電相互作用によって梁１に連結されている。すなわち、電圧が梁１とストリップ１０間に印加されているとき、梁１とストリップ１０の間に存在する分離空間に電界が存在する。この電界は、梁１に方向Ｎに平行な力を及ぼす。あるいは、電極は、ＭＯＳトランジスタのゲートを有していてもよい。
【００４７】
任意に、マイクロエレクトロメカニカルシステムは、静電相互作用によって梁１に連結された第２の電極をさらに含んでいてもよい。このような第２の電極は、本発明による曲げ梁のマイクロエレクトロメカニカルシステムを組み込んでいる特定の装置にとって必要かもしれない。この場合、２つの電極は、それぞれ、梁１の振動を励起する電極と、前記振動を検出する電極であってもよい。検出電極がＭＯＳトランジスタのゲートからなる場合、梁１の振動によって引き起こされた電気信号が検出され、この電気信号は、該トランジスタのソース−ドレイン間を流れる主電流の形で直接増幅される。この主電流は、梁１の曲げによって生じる、ゲートの電位の振動によって変調される。
【００４８】
上記した、曲げ梁のマイクロエレクトロメカニカルシステムは、種々のエレクトロメカニカル装置に組み込むことができる。該装置がマイクロスイッチの場合には、梁が速く変形することによって電気回路を著しく高速に開くことが可能になる。該装置が加速度計の場合、本発明の曲げ梁のマイクロエレクトロメカニカルシステムは、フレキシブルな薄板の形状をした曲げ梁を備えた加速度計の飽和または場合によっては破損につながるであろう大きな加速度を測定するのに適している。
【００４９】
本発明によるマイクロエレクトロメカニカルシステムを組み込んだ該装置が発振器または共振器の場合、発振固有周波数またはその第１の共振周波数は非常に高く、非常に多くの用途に適している。さらに、梁が、結晶質材料または単結晶材料で作られている場合、このような共振器の品質係数が著しく高くなることがある。これは、梁がシリコンで作られ、ゲルマニウムを含んでいない場合に、結晶材料の格子欠陥は非常に少ないので、特に当てはまるであろう。
【００５０】
最後に、詳細に説明したマイクロエレクトロメカニカルシステムは、集積回路の製造ラインのフロントエンドにおいて製造されるのに適している。本発明によるこのようなマイクロエレクトロメカニカルシステムを、集積回路の製造ラインのバックエンドにおいて製造してもよい。この場合、梁１は窒化物タイプの材料で作られてもよく、電極１０は金で作られてもよく、ボリューム１０２は樹脂または重合体で作られていてもよい。その際、梁１が電気的に絶縁性であるとすると、梁１は、金で作られていてもよいカウンタ電極を備えている必要がある。このカウンタ電極は、電極１０と協働するように電極１０に向き合った梁１上に配置される。さらに、製造ラインのバックエンドにおいて製造されたマイクロエレクトロメカニカルシステムは、回路とマイクロシステムの組立て体に対して得られる集積度より大きくなるように、基板上に生成された集積回路の上方に配置してもよい。このような構成は、「ＩＣ（ＩＣは「集積回路」を表す）上の集積化」と呼ばれている。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１ａ】従来技術から知られているマイクロエレクトロメカニカルシステムを示す図である。
【図１ｂ】従来技術から知られているマイクロエレクトロメカニカルシステムを図である。
【図２ａ】本発明による、キャビティ化された正方形断面を有する曲げ梁のマイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する方法の工程を示す図である。
【図２ｂ】本発明による、キャビティ化された正方形断面を有する曲げ梁のマイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する方法の工程を示す図である。
【図２ｃ】本発明による、キャビティ化された正方形断面を有する曲げ梁のマイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する方法の工程を示す図である。
【図２ｄ】本発明による、キャビティ化された正方形断面を有する曲げ梁のマイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する方法の工程を示す図である。
【図２ｅ】本発明による、キャビティ化された正方形断面を有する曲げ梁のマイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する方法の工程を示す図である。
【図２ｆ】本発明による、キャビティ化された正方形断面を有する曲げ梁のマイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する方法の工程を示す図である。
【図３ａ】本発明の他の実施形態を示す図である。
【図３ｂ】本発明の他の実施形態を示す図である。
【図３ｃ】本発明の他の実施形態を示す図である。
【図３ｄ】本発明の他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１ 梁
２、３ 梁１の端
１０ ストリップ
１１ シリコンストリップ
１００ 基板ベース
１０１ シリカ層
１０２、１０３ ボリューム
１０３ａ 合金層
１０４ シリコン層
Ｌ 梁１の長さ
ｔ 梁１の厚さ
ｗ 梁１の幅
ｅ1〜ｅ4 厚さ
Ｐ1〜Ｐ4 平坦な面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向（Ｄ）に所定の長さ（Ｌ）を有する梁（１）と、静電相互作用によって前記梁に連結された少なくとも１つの固定電極（１０）とを有し、前記梁は、弾性曲げ変形を受けるように作られており、かつ前記長手方向に垂直な平面内に、前記梁の全長の少なくとも主要部分にわたって概ね一定の断面を有するマイクロエレクトロメカニカルシステムにおいて、
前記梁（１）は、該梁の全長の前記主要部分にわたって延びる数個の平坦な面（Ｐ1〜Ｐ4）を有し、前記数個の平坦な面は前記長手方向（Ｄ）に平行な複数の線に沿って互いに接続されており、各面は前記断面の少なくとも１つの外側寸法（ｗ、ｔ）よりも小さい厚さ（ｅ1〜ｅ4）を有することを特徴とするマイクロエレクトロメカニカルシステム。
【請求項２】
前記梁の複数の面のうちの少なくとも１つの面の厚さ（ｅ1〜ｅ4）が、前記断面の外側寸法（ｗ、ｔ）よりも少なくとも４倍小さい、請求項１に記載のマイクロエレクトロメカニカルシステム。
【請求項３】
前記断面は、正方形または長方形の外形を有し、組になって直交する４つの平坦な面（Ｐ1〜Ｐ4）によって構成されている、閉じた断面である、請求項１または２に記載のマイクロエレクトロメカニカルシステム。
【請求項４】
前記断面はＵ字形またはＨ形である、請求項１または２に記載のマイクロエレクトロメカニカルシステム。
【請求項５】
前記梁（１）は、実質的にシリコンまたはシリコン−ゲルマニウム合金をベースにしている、請求項１から４のいずれかの１項に記載のマイクロエレクトロメカニカルシステム。
【請求項６】
前記梁（１）は、該梁の一端にある少なくとも１つのリンク（２、３）を介して、または前記梁の曲げ振動固有モードのノードに対応する、該梁の全長に沿った点において、前記電極（１０）を載せた基板（１００）に機械的に連結されている、請求項１から５のいずれかの１項に記載のマイクロエレクトロメカニカルシステム。
【請求項７】
前記電極（１０）がＭＯＳトランジスタのゲートを含む、請求項１から６のいずれかの１項に記載のマイクロエレクトロメカニカルシステム。
【請求項８】
励起電極と検出電極を有しており、各電極は静電相互作用によって前記梁（１）に連結されている、請求項１から７のいずれかの１項に記載のマイクロエレクトロメカニカルシステム。
【請求項９】
請求項１から６のいずれか１項に記載のマイクロエレクトロメカニカルシステムを有するスイッチ。
【請求項１０】
請求項１から７のいずれか１項に記載のマイクロエレクトロメカニカルシステムを有する加速度計。
【請求項１１】
請求項１から８のいずれか１項に記載のマイクロエレクトロメカニカルシステムを有する発振器。
【請求項１２】
請求項１から８のいずれか１項に記載のマイクロエレクトロメカニカルシステムを有する共振器。
【請求項１３】
ａ）第２の材料に対して選択的にエッチング可能な第１の材料で作られた部分（１０２）を剛性のある基板（１００）上に形成する工程と、
ｂ）前記第１の材料の前記部分の、前記基板（１００）とは反対側に第２の材料で作られ、かつ長手方向（Ｄ）に沿った所定の長さ（Ｌ）にわたって前記第１の材料の前記部分（１０２）の上を延びる梁（１）を形成する工程と、
ｃ）前記基板（１００）と前記梁（１）の間に第１の空き空間（Ｖ1）を形成するように、前記第１の材料（１０２）を前記第２の材料に対して選択的にエッチングする工程と、
を有し、
静電相互作用によって前記梁（１）に連結されるように作られた少なくとも１つの電極（１０）を前記基板（１００）上に形成する工程をさらに含む、マイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する方法において、
前記工程ｂ）は、前記梁（Ｌ）の全長の少なくとも主要部分にわたって延び、かつ前記長手方向（Ｄ）に垂直な平面内に、前記梁の全長の前記主要部分にわたって概ね一定の断面を形成する数個の平坦な面（Ｐ1〜Ｐ4）であって、前記長手方向（Ｄ）に平行な複数の線に沿って互いに接続され、前記断面の少なくとも１つの外側寸法（ｗ、ｔ）よりも小さい厚さ（ｅ1〜ｅ4）を有する数個の平坦な面（Ｐ1〜Ｐ4）を形成することを含むことを特徴とする、マイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する方法。
【請求項１４】
前記梁の複数の平坦な面（Ｐ1〜Ｐ4）の少なくとも２つの間に第２の空き空間（Ｖ2）を形成する工程ｄ）をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記梁（１）は、前記断面が前記梁（１）の全長（Ｌ）の前記主要部分にわたって延びる一時的な材料のコア（１１）を少なくとも部分的に囲むように前記工程ｂ）において形成され、前記工程ｄ）が、前記第２の空き空間（Ｖ2）を形成するように、前記コアを選択的に除去することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記工程ｃ）と前記工程ｄ）が同時に行われる、請求項１４または１５に記載の方法。
【請求項１】
長手方向（Ｄ）に所定の長さ（Ｌ）を有する梁（１）と、静電相互作用によって前記梁に連結された少なくとも１つの固定電極（１０）とを有し、前記梁は、弾性曲げ変形を受けるように作られており、かつ前記長手方向に垂直な平面内に、前記梁の全長の少なくとも主要部分にわたって概ね一定の断面を有するマイクロエレクトロメカニカルシステムにおいて、
前記梁（１）は、該梁の全長の前記主要部分にわたって延びる数個の平坦な面（Ｐ1〜Ｐ4）を有し、前記数個の平坦な面は前記長手方向（Ｄ）に平行な複数の線に沿って互いに接続されており、各面は前記断面の少なくとも１つの外側寸法（ｗ、ｔ）よりも小さい厚さ（ｅ1〜ｅ4）を有することを特徴とするマイクロエレクトロメカニカルシステム。
【請求項２】
前記梁の複数の面のうちの少なくとも１つの面の厚さ（ｅ1〜ｅ4）が、前記断面の外側寸法（ｗ、ｔ）よりも少なくとも４倍小さい、請求項１に記載のマイクロエレクトロメカニカルシステム。
【請求項３】
前記断面は、正方形または長方形の外形を有し、組になって直交する４つの平坦な面（Ｐ1〜Ｐ4）によって構成されている、閉じた断面である、請求項１または２に記載のマイクロエレクトロメカニカルシステム。
【請求項４】
前記断面はＵ字形またはＨ形である、請求項１または２に記載のマイクロエレクトロメカニカルシステム。
【請求項５】
前記梁（１）は、実質的にシリコンまたはシリコン−ゲルマニウム合金をベースにしている、請求項１から４のいずれかの１項に記載のマイクロエレクトロメカニカルシステム。
【請求項６】
前記梁（１）は、該梁の一端にある少なくとも１つのリンク（２、３）を介して、または前記梁の曲げ振動固有モードのノードに対応する、該梁の全長に沿った点において、前記電極（１０）を載せた基板（１００）に機械的に連結されている、請求項１から５のいずれかの１項に記載のマイクロエレクトロメカニカルシステム。
【請求項７】
前記電極（１０）がＭＯＳトランジスタのゲートを含む、請求項１から６のいずれかの１項に記載のマイクロエレクトロメカニカルシステム。
【請求項８】
励起電極と検出電極を有しており、各電極は静電相互作用によって前記梁（１）に連結されている、請求項１から７のいずれかの１項に記載のマイクロエレクトロメカニカルシステム。
【請求項９】
請求項１から６のいずれか１項に記載のマイクロエレクトロメカニカルシステムを有するスイッチ。
【請求項１０】
請求項１から７のいずれか１項に記載のマイクロエレクトロメカニカルシステムを有する加速度計。
【請求項１１】
請求項１から８のいずれか１項に記載のマイクロエレクトロメカニカルシステムを有する発振器。
【請求項１２】
請求項１から８のいずれか１項に記載のマイクロエレクトロメカニカルシステムを有する共振器。
【請求項１３】
ａ）第２の材料に対して選択的にエッチング可能な第１の材料で作られた部分（１０２）を剛性のある基板（１００）上に形成する工程と、
ｂ）前記第１の材料の前記部分の、前記基板（１００）とは反対側に第２の材料で作られ、かつ長手方向（Ｄ）に沿った所定の長さ（Ｌ）にわたって前記第１の材料の前記部分（１０２）の上を延びる梁（１）を形成する工程と、
ｃ）前記基板（１００）と前記梁（１）の間に第１の空き空間（Ｖ1）を形成するように、前記第１の材料（１０２）を前記第２の材料に対して選択的にエッチングする工程と、
を有し、
静電相互作用によって前記梁（１）に連結されるように作られた少なくとも１つの電極（１０）を前記基板（１００）上に形成する工程をさらに含む、マイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する方法において、
前記工程ｂ）は、前記梁（Ｌ）の全長の少なくとも主要部分にわたって延び、かつ前記長手方向（Ｄ）に垂直な平面内に、前記梁の全長の前記主要部分にわたって概ね一定の断面を形成する数個の平坦な面（Ｐ1〜Ｐ4）であって、前記長手方向（Ｄ）に平行な複数の線に沿って互いに接続され、前記断面の少なくとも１つの外側寸法（ｗ、ｔ）よりも小さい厚さ（ｅ1〜ｅ4）を有する数個の平坦な面（Ｐ1〜Ｐ4）を形成することを含むことを特徴とする、マイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する方法。
【請求項１４】
前記梁の複数の平坦な面（Ｐ1〜Ｐ4）の少なくとも２つの間に第２の空き空間（Ｖ2）を形成する工程ｄ）をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記梁（１）は、前記断面が前記梁（１）の全長（Ｌ）の前記主要部分にわたって延びる一時的な材料のコア（１１）を少なくとも部分的に囲むように前記工程ｂ）において形成され、前記工程ｄ）が、前記第２の空き空間（Ｖ2）を形成するように、前記コアを選択的に除去することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記工程ｃ）と前記工程ｄ）が同時に行われる、請求項１４または１５に記載の方法。
【図１ａ】
【図１ｂ】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図２ｃ】
【図２ｄ】
【図２ｅ】
【図２ｆ】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図３ｃ】
【図３ｄ】
【図１ｂ】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図２ｃ】
【図２ｄ】
【図２ｅ】
【図２ｆ】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図３ｃ】
【図３ｄ】
【公開番号】特開２００６−２６３９０５（Ｐ２００６−２６３９０５Ａ）
【公開日】平成１８年１０月５日（２００６．１０．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３３６８８６（Ｐ２００５−３３６８８６）
【出願日】平成１７年１１月２２日（２００５．１１．２２）
【出願人】（５０１２５７９２３）エステーミクロエレクトロニクス ソシエテ アノニム (1)
【出願人】（５０２１４２３２３）コミサリア、ア、レネルジ、アトミク (195)
【氏名又は名称原語表記】ＣＯＭＭＩＳＳＡＲＩＡＴ Ａ Ｌ’ＥＮＥＲＧＩＥ ＡＴＯＭＩＱＵＥ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月５日（２００６．１０．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月２２日（２００５．１１．２２）
【出願人】（５０１２５７９２３）エステーミクロエレクトロニクス ソシエテ アノニム (1)
【出願人】（５０２１４２３２３）コミサリア、ア、レネルジ、アトミク (195)
【氏名又は名称原語表記】ＣＯＭＭＩＳＳＡＲＩＡＴ Ａ Ｌ’ＥＮＥＲＧＩＥ ＡＴＯＭＩＱＵＥ
【Ｆターム（参考）】
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