(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光（ａ）に応答して振動するマイクロ構造体（10）であって、
一方の面にキャビティ（31）を有する半導体ベース（20）と、
半導体材料で一体に形成され、キャビティ（31）に近接する位置で半導体ベース（20）に接続された遠い端と、可とう性ビーム部材がキャビティ全体にわたって延びるように半導体ベースに接続された近い端とを有する可とう性ビーム部材（40）と、
一部がキャビティ（31）内に位置するように配設された光励起駆動構造（30）とを備え、
上記の可とう性ビーム部材（40）と上記の光励起駆動構造（30）は、ほぼ光（ａ）の経路中にあることを特徴とするマイクロ構造体。
【発明の詳細な説明】
本発明は、振動運動が光起電力エネルギー変換装置上に加えられる放射エネルギーに結合される共振半導体部材を使用するデバイスおよびその応用例に関する。本発明は、振動動作がその他の方法で与えられ、その影響を光学的に読み取ることができるそのようなデバイスにも関する。このようなデバイスは、場合によっては自己共振型のものでもよい。この特許の全体にわたって、光および光エネルギーまたは放射エネルギーの語は、等価の語として使用され、すべての有用な形の放射エネルギーをカバーするその最も広い意味を有するものである。
発明の背景
現在の所、知られている共振デバイスは直接光・電気・機械結合によって駆動されている。本発明は同様に駆動され、光学的に読み取ることができる。吸収された放射の結果として生じる温度の変化によって駆動されるいくつかの光・熱・機械デバイスが文献に記載されているが、このようなデバイスは、本明細書で教示する構造も原則も使用しない。光・熱駆動の参考文献としては、たとえば"Optical  Micromachined  Pressure  Sensor  for  Aerospace  Applications"Diogenes  AngelidiaおよびPhilip  Parsons著,Optical  Engineering,第31巻（1992年）1638ページないし1642ページを参照されたい。"Optical  Excitation  of  Mechanical  Microresonators"Kozel等著,Soviet  Tech.Phys.Lett.17（11）,Nov.1991  0360−120X/91/11  ０  804−02（▲Ｃ▼Am.Inst.of  Physics,1992年）および"Photothermal  Self−Excitation  of  Mechanical  Microresonators"やはりKozel等著,Opt.Spectroscopy（USSR）69（３）,1990年９月,0030−400x/90/090401−02（▲Ｃ▼1991年,The  Optical  Society  of  America）も参照されたい。
共振ビーム駆動に関する他の興味深い変形例は、"Optical  Fiber  Sensors  Using  Micromechanical  Silica  Resonant  Elements"Jones,Naden,およびNeat著,IEE第135巻（第Ｄ部）（1988年）353ページないし358ページおよび"Photoacoustic  Oscillator  Sensors"LangdonおよびDowe著,SPIE,第798巻,Fiber  Optic  Sensors  II（1987年）,86ページないし93ページに記載されている。Jones、Naden、およびNeatの論文では、これらの研究者が（熱弾性効果を使用して）光熱的に励起された自己共振デバイスを構築することが可能であろうと考えてはいるが、この目的のためのシリコンが不適当であると確信している（358ページ）ことに留意されたい。Wisconsin  Alumni  Research  Foundationに譲渡された米国特許第5188983号と、Honeywell  Inc.に譲渡された国際出願第PCTUS93/08404号には、静電駆動と圧抵抗検知を組み込んだ共振マイクロビームに関する従来技術の関連教示が記載されている。これらの場合、静電励起は、小交流電圧を印加してマイクロビームを刺激することによって生成される力を使用して行われる。マイクロビームのたわみの検知は、応力感応抵抗素子を使用して行われる。振動動作には、電子振幅・位相補正回路が必要である。本明細書で開示した手法では、マイクロビームを駆動し、マイクロビームの振動を検知し、ある条件が満たされた場合、電子光学構成要素を介入させずに自己共振を発生させ、したがって、圧電抵抗器、駆動電極、電気接点、および電気相互接続用の金属被膜が不要になる。この結果、マイクロビーム構成が簡略化されるので、処理ステップが減少し、老化や劣化の原因がなくなり、マイクロビーム間の一致を向上させることができ、マイクロビームを大幅に薄くして感度を増大させ、同時にチップ寸法およびコストを低減させることができる。
本明細書に記載したものに類似の構造を構築するうえで有用な背景技術または構築技術については、"POLYSILICON  RESONANT  MICROBEAM  TECHNOLOGY  FOR  HIGH  PERFORMANCE  SENSOR  APPLICATIONS"Guckel等著,0−7803−0456−X/92（▲Ｃ▼1990年,IEEE）を参照されたい。
本発明は、２つの半導体ウェハを融解ボンディングすることによって製造される共振マイクロビームひずみゲージについて説明する"Semiconductors  sensor  with  vibrating  element"（EP−Ａ−第0400939号）に記載された従来技術とは異なる新規の極めて重要な特徴を有する。マイクロビームの材料（シリコン）および寸法、ならびに共振周波数は、本発明の前記材料、寸法、および共振周波数、ならびにEP−Ａ−第0451992号の前記材料、寸法、および共振周波数に匹敵するものである。どちらの文献でも、本発明の場合と同様に、マイクロビームを励起して共振させる駆動電極としてマイクロビームの下方のｐ−ｎ接合部が使用されている。しかし、EP−Ａ−第0400939号も、EP−Ａ−第0451992号も、マイクロビームを介して下部構造へ透過する光は使用していない。本発明は、この光を２つの方法で使用するものである。反射光は、マイクロビームおよび基板からの反射光線の干渉のために変調されるが、この変調を使用して、マイクロビームの振動運動を検出して共振周波数を読み取る。さらに、本発明では、（同様に変調された）透過光を使用して、光励起効果によってマイクロビームを駆動する。このために、本出願の第1a、1b、1c図に示したように、マイクロビームの厚さとマイクロビームの下方のギャップの厚さは、デバイスの動作にとって重大である。したがって、本発明者の考えでは、引用した従来技術のうちのどれも、本発明で開示し請求する変調動作または光励起駆動機構の態様を教示しておらず、あるいは請求していない。
一般に、本明細書のデバイスは、連続光信号またはパルス／変調光信号によって駆動できる自己共振部材を有するデバイスと、タイミング・パルスの光信号によって共振するように駆動される可とう性部材を有するデバイスの２つの可能な基本態様を有する。一般に、このうちのどちらも、部材で発生する振動に直接関係するリズムで光入力に影響を及ぼす。というのは、可動部材の反射率が、各振動ごとに循環的に変化するからである（光が存在するときしか共振しない逆バイアスｐ−ｎ接合ホトダイオードを使用する第３の態様も記載されている。この第３の態様は、顕著な利点と、欠点も有する）。
可とう性部材のこのような振動およびその率は、共振部材に対するその他の環境の影響、たとえば、応力およびひずみ、温度、圧力、加速、音響などの影響を受ける。測定中の影響に関するより良い信号雑音比を得るために前記部材の構造を変化させることができ、したがって、温度の検知には、短いカンチレバー・ビームの方がよく、ひずみの検知には、２つの長手方向端部で接続された比較的長いビームの方がよい。マルチビーム・デバイスも有用である。本明細書では、いくつかの変形例を教示する。
したがって、たとえば、本発明を使用して、圧力、重量、温度などを含め多数の実際の検知ニーズを容易に満たすことができる。さらに、より大きなダイアフラムなど、より大きな構造にこのようなデバイスを追加して、ダイアフラムを較正し、あるいは、容量性信号、抵抗性信号、またはその他の検知発信信号を使用してより大きなダイアフラムを直接測定することによって得ることができるよりも正確な読取り値を与えることができる。
この特許の教示の範囲から逸脱せずに構造自体の多数の変形例が可能であり、それらの変形例は、本明細書の請求の範囲でカバーされる。
発明の概要
最も簡単な態様では、ウェハ中のキャビティまたはその他の空間のほぼ全体にわたって、あるいは完全に全体にわたって延びる、一方の電気的型（ｐまたはｎ）の共振マイクロ構造部材をウェハ上に形成するだけでよい。キャビティの壁またはフロアのある位置に逆の型（ｐまたはｎ）の材料の領域がある。２つの型の間の界面は、ｐ−ｎ接合部と呼ばれ、光起電力構造の最も良く知られている態様である。この光起電力構造の位置は重要である。可とう性部材および逆の型の領域は、ほぼ駆動放射エネルギー（以下、簡単に「光」と呼ぶ）の経路中にある。本発明の他の態様では、部材と同じ型の領域が、部材と電気的に同じ空間で延び、かつ部材がキャビティを横切って位置し、あるいは逆の型の領域から離隔している場合、駆動光はその領域に当たる。ベース中の光起電力デバイスは、ｐ−ｎ接合以外の方法で形成することもできる。このような方法には、ｐ−ｉ−ｎダイオード、金属半導体接合、または表面電位をバルクと異なるものにする表面状態が含まれる。このような表面状態は、部分空乏、完全空乏または反転した表面層をもたらす可能性がある。これらの構造はすべて、可とう性部材を駆動するのに十分な光起電力効果を示すことができる。本明細書で「逆の型」の材料または領域とは光起電力構造を指す。光起電力構造の位置は重要である。
部材の運動は、ブランコ上の子供を押すときの運動に類似するものとすることができる。すなわち、ブランコが下向きの運動を始めたときに子供を押す。言い換えると、振動を維持する駆動力は、速度と同じ方向であり、あるいは同位相でなければならない。この類似を完全にするために、部材が逆の型の領域の方へ移動するとき、部材を引きつける駆動電圧を最大にする。
本発明のデバイスは、光・電気・機械的に結合されたホトダイオードとして働き、入射駆動光によって可動部材または可とう性部材を逆の型の領域に静電的に引きつけさせる。したがって、本発明は、ホトダイオードで生成された静電力を介して光エネルギーを機械的共振または機械的運動に結合するものである。本明細書では、本発明がそのように動作する理由と考えられるものを開示するが、最終的に、他の物理理論によって、本発明の動作の理由が異なるものであることが示される可能性もある。しかし、本発明と同様に光エネルギーを直接、機械エネルギーに静電結合するデバイス構造を以前に教示した者はいない。さらに、基板、あるいは一体型カバーまたは頂部カバーに可とう性部材を近接させると、部材をわずかに変位させることによって、反射光の速度を大きく変調することができるファブリー・ペローの干渉計が形成される。もう一度強調しておくが、本発明者の知る限りでは、本発明と同様に光エネルギーを直接、機械エネルギーに静電結合するデバイス構造を教示した者はいない。
好ましい態様は、真空排気されたカプセル内に位置する振動部材を有する。頂部キャップが部材の一方の面を密封し、部材が取り付けられ、あるいは形成されたウェハが他方の面を密封する。現在好ましい態様では、光が部材に垂直に入射し、逆の型の領域が、部材の下方で、直接その光経路中に位置するように位置決めされる。真空排気され封止された態様が好ましい。しかし、たとえば、パルス光信号または変調光信号を使用して可とう性部材を駆動する場合や、本発明の用途にとって自己共振が必要でも、望ましくもない場合、非真空排気態様および最適ではないその他の構造がデバイスに有用であり、デバイスに受れ入れることができる。
光路は、カバーに対してある角度をもたせ、共振部材を通過させて、適当に位置決めされた逆の型の領域に反射させることもできる。
様々な形状の漏れキャビティ、またはフラップ、あるいは部材の穴のヒンジ付きカバーを有する様々な態様を使用して流体をポンピングすることができる。複数の可とう性部材、様々な形状の部材、および多数の逆の型の領域を有する他の変形態様を構築することができる。たとえば、本発明を使用して、マイクロ封止された音叉を駆動することができる。
現在最も好ましい態様では、可とう性部材の厚さは、駆動光の波長の４分の１の奇数倍であるべきであり、可とう性部材と逆の型の領域の間のキャビティまたは空間は、入射光の波長の２分の１の倍数よりもある程度小さくすべきである。可とう性部材および真空密閉シェルの上方のキャビティは、波長の２分の１よりもある程度大きくすべきである。可とう性部材は、その好ましい末端位置間でλ/2およびλ/4で振動する（反射が同じ位相関係を有するので、λ/2またはその倍数を加算または減算することによって常に距離を変更できることに留意されたい）。
逆の部材側にキャップが使用される場合、キャップは逆の型の領域とは振動部材の両面のキャビティ空間の和が波長の２分の１の偶数倍数になるように離隔すべきである。
ひずみトランスデューサとしての現在最も好ましい態様では、可とう性部材は、両端で固定されたビームであり、ビームの下方に光起電力デバイスを有する。温度に反応する基準トランスデューサは、一端のみで固定されたビームを使用する。マイクロビームおよびその上方および下方の空間の厚さは、光起電力デバイスを透過する光が、ビームが光起電力デバイス（または逆の型の領域）から偏向されたときに増大し、ビーム自体の復元力によって逆の型の領域の方へ偏向されたときに低減するように選択すべきである。駆動電極と可とう性部材の間の静電力が光強度と共に増加するので、この構成では、自己共振動作に有用な正の帰還条件がもたらされる。この「正の帰還」については、後で図に関してさらに詳しく説明する。
これは、動的デバイスとなるのに十分な照明の下で駆動電圧を発生させ、すなわち、ビームの静止位置を不安定にして共振を開始させることができる光起電力デバイスを意味する。したがって、本発明は、いわゆる「活動デバイス」のクラスの部材について説明する。
部材／キャビティ／キャップ／逆の型の領域構成が、最も好ましい空間構成ではないケースでも、パルス光源または変調光源を使用して、駆動光パルスのタイミングに関係する共振を部材で発生させることができる。部材の表面から反射する光から得られる信号の変調は、可とう性部材の共振周波数に影響を及ぼす環境の変化（ひずみ、温度など）によってもたらされる。縦長の部材またはビームは、やはり使用することができる振動運動の他の特性を示す。読取り周波数に関しては、自己共振、変調駆動光を共振周波数に同期させるフェーズ・ロック・ループ、たわみ部材の表面からの反射によって返される反射光信号のピークの「リングダウン」、駆動光の変調周波数が走査される周波数走査の少なくとも４つの方法がある。
反射光を受ける現在好ましい方法は、光を供給するのと同じ光路によるものである。反射光路（光ファイバまたは一体型導波管が好ましい）は、反射光を光検出器の方へ向けるビーム・スピリッタ（3db光ファイバ・カプラであることが好ましい）を有し、部材が逆の型の領域に対して最も遠い点での最小信号と、部材が前記領域の最も近くの点まで移動したときの完全信号に対応する、振動時の部材の運動を表す信号がもたらされる。このビーム・スピリッタは、光ファイバ・ケーブルでよく、共振デバイスと同じチップ上のガイドに取り付けることができる。ただし、その他の導波管構造を使用することができる。類似の光学系を説明する図は、上記で引用した1990年９月のKozel等の論文にある。一体型窒化ケイ素導波管を好ましい技法として使用して、入射放射をシェルへ送り、シェルを介して下向きに反射させ、光起電力デバイスまたは光起電力領域に入射させることもできる。同じ導波管が戻り光を運ぶ。
たわみ部材の共振は、ビーム形部材に関して調査されている。たとえば、複数の共振周波数を含め固有共振周波数を記載したZook等著"Characteristics  of  Polysilicon  Resonant  Microbeams"▲Ｃ▼El  Sevier  Sequoia,1992.Sensors  and  Actuators  A,35（1992年）51ページないし59ページを参照されたい。「マイクロビーム」の語を使用して共振部材を説明すると好都合であるが、本発明はビーム形部材だけに限られるものではない。この説明では、混同を避けるために、「ビーム」の語は、光線を指すためにのみ使用される。
たとえば、本発明を使用するデバイスを使用して、光が１回転当たりにある限られた回数（たとえば１回）しかデバイスに当たらないようにデバイスに関連付けて配置された回転軸の速度を測定することができる。これは、部材の共振周波数が軸の回転速度よりもずっと高いからである。
そのようなデバイスを使用して、温度、圧力、ひずみ、力、加速度を測定することができ、あるいは、デバイスがそのような外乱から絶縁されている場合にタイマとして使用することもできる。そのようなデバイスは、マイクロフォン、ハイドロフォン、光変調器、および音波発生器として使用することができる。現在利用可能な技法で多数の部材／キャビティ／逆の型の領域構成が可能であり、本明細書の図面は、そのうちのいくつかを表すに過ぎない。
この教示によって構築されたデバイスは、低電力、高雑音耐性、高信号雑音比、ディジタル光出力、チップ上の金属化が不要であること、いくつかの好ましい態様での自己共振の能力など自明で顕著な利点を有する。このようなデバイスは、磁界センサ、増幅器、ミキサ、フィルタ、および腐食センサとして使用することもできる。さらに、このようなデバイスを、バイモル構成で異種材料に結合すると、それを使用して磁界、電界、湿度、温度、化学吸着を測定することができ、あるいは近接センサとして使用することができる。
ｐ−ｎ接合ホトダイオードによってデバイスの動作を最も容易に視覚化することができ、この教示全体にわたってｐ−ｎ接合ホトダイオードについて説明するが、ｐ−ｉ−ｎ接合、金属半導体接合、部分空乏表面状態、完全空乏表面状態、または反転表面状態など光電圧を生成する物理機構なら十分であることを理解されたい。好ましい構成材料は現在の所、シリコンの単結晶、または多結晶である。ただし、特に有用な応用例は、SiC、ダイアモンド、GaAs、AlGaN、GaN、またはGaAlAs、あるいはその他のIII−ＶまたはII−VIで構成された構造から得ることができる。これらの材料が好ましいのは、高温での動作を可能にする特性を共有するからである。高温応用例では、高温で使用できる圧電特性およびバルク光起電力効果を有するGaNなど広バンドギャップ半導体を使用すると有利である。現在の所、チップ上で金属化を必要としないことは大きな利点であるが、ある種の金属化が可能であり、ある種の状況ではそれが有用であり望ましい。
必要なのは、部材が振動したときに検知波長での構造の反射を適当に変化させるのに十分なＱおよび屈折率を有する構成材料だけである。
【図面の簡単な説明】
第1a図は、可とう性部材の振動運動のあるモーメントを示す、本発明の好ましい一実施形態によって構築されたデバイスを含むウェハの上部の断面図である。
第1b図は、可とう性部材の振動運動の異なるモーメントを示す、本発明の好ましい一実施形態によって構築されたデバイスを含むウェハの上部の断面図である。
第1c図は、可とう性部材の振動運動の異なるモーメントを示す、本発明の好ましい一実施形態によって構築されたデバイスを含むウェハの上部の断面図である。
第2a図は、部材の変位の時間に対する立上りと立下りを示す線グラフである。
第2b図は、速度（および摩擦力の負）を示す線グラフである。
第2c図は、逆の型の領域に到達する透過される光強度と復元力を示す線グラフである。
第2d図は、ビームに対する静電駆動力の量を示す線グラフである。
第3a図は、好ましい一実施形態の断面側面図である。
第3b図は、第3a図のヒューリスティック・ダイアグラム表現である。
第3c図は、エネルギー変換サイクルのヒューリスティック・ダイアグラムである。
第4a図は、本発明の好ましい一実施形態と光熱駆動の概念を示す断面側面図である。
第4b図は、本発明の好ましい一実施形態と光熱駆動の概念を示す断面側面図である。
第4c図は、本発明の好ましい一実施形態と光熱駆動の概念を示す断面側面図である。
第4d図は、逆の型の２つの領域を有する変形例を示す図である。
第5a図は、好ましい代替実施形態の断面側面図である。
第5b図は、好ましい代替実施形態の断面側面図である。
第5c図は、好ましい代替実施形態の断面側面図である。
第6a図は、切取側面図で示した、加速度計に関連する本発明の応用例のヒューリスティック・ダイアグラムである。
第6b図は、切取側面図で示した、圧力センサに関連する本発明の応用例のヒューリスティック・ダイアグラムである。
第6c図は、切取側面図で示した、圧力センサに関連する本発明の応用例のヒューリスティック・ダイアグラムである。
第6d図は、切取側面図で示した、加速度計に関連する本発明の応用例のヒューリスティック・ダイアグラムである。
第6e図は、切取側面図で示した、加速度計に関連する本発明の応用例のヒューリスティック・ダイアグラムである。
第6f図は、切取側面図で示した、圧力センサに関連する本発明の応用例のヒューリスティック・ダイアグラムである。
第6g図は、切取側面図で示した、圧力センサに関連する本発明の応用例のヒューリスティック・ダイアグラムである。
第７図は、好ましい代替実施形態の切取側面図である。
第８図は、好ましい他の代替実施形態の切取側面図である。
第9a図は、本発明の一実施形態を作製する一連の好ましいウェハ処理ステップの側面図である。
第9b図は、本発明の一実施形態を作製する一連の好ましいウェハ処理ステップの側面図である。
第9c図は、本発明の一実施形態を作製する一連の好ましいウェハ処理ステップの側面図である。
第9d図は、本発明の一実施形態を作製する一連の好ましいウェハ処理ステップの側面図である。
第9e図は、本発明の一実施形態を作製する一連の好ましいウェハ処理ステップの側面図である。
第9f図は、本発明の一実施形態を作製する一連の好ましいウェハ処理ステップの側面図である。
第9g図は、本発明の一実施形態を作製する一連の好ましいウェハ処理ステップの側面図である。
第10図は、好ましい実施形態のブロック図である。
第11a図は、好ましい他の実施形態の平面図である。
第11b図は、好ましい他の実施形態の切取側面図である。
第12図は、好ましい実施形態の３つの変形態様に関するギャップ間隔対反射率の線グラフである。
第13図は、好ましい他の実施形態の切取側面図である。
第14図は、頂部キャップまたはカバー・カプセルを有さない好ましい一実施形態によるデバイスの側面図である。
第15図は、選択されたマイクロビーム形状の平面図である。
発明の詳細な説明
一般概念
まず第1a、ｂ、ｃ図を参照すると、自己共振特性を示すことができるデバイス10の基本態様が記載されている。この構造は、ベース中の光起電力デバイスに当たる駆動光を変調する光干渉フィルタとして機能する。デバイスは、逆の型の領域30が位置する領域から可とう性部材40を分離するキャビティ31のベースのｐ−型領域30を除くデバイスのすべてを形成する通常の電気特性型（ｎ−型）を有する表面（本明細書では都合上、上部表面と呼ぶ）20上に形成される（ユーザのある種の応用例では、材料型の順序を逆にして構築したデバイスが好ましいが、発見的な目的のために、この構成に固執する。このおよびその他の理由で、本明細書に記載した動作の理論が、いかなる点でも限定的なものとみなすべきものではないことにも留意されたい。本発明に与えられる保護の範囲を制限するのは請求の範囲だけである）。
ｐ−ｎ接合部は、光起電力デバイスとして機能し、入射駆動光に応答してｎ−領域とｐ−領域の間で電圧を生成する（非自己共振動作モードでは（ただし、これを自己共振デバイスに使用することもできる）、駆動光が変調され、異なる波長または方向を有する別の非変調ビームを読取りに使用することが好ましい。ただし、駆動光の反射と、ビーム上の圧抵抗ストリップ、あるいはビーム位置の容量性検知または磁気検知を使用することもできる）。キャビティ41の他の部分は、外側キャップ層または頂部キャップ層50から部材を分離する。光入力エネルギー（または駆動「光」）は、この場合、ウェハ20、可とう性部材（またはビーム）40、およびキャップ50の表面に対して垂直でなくてもよい配向でデバイスに当たる矢印（ａ）によって参照される。
第1a図で、デバイス10は静止しており、ビーム40は、低エネルギー位置または静止平衡装置にある。逆の型の領域30に当たる光が到着すると、そこに電荷が蓄積され、ビームまたは可とう性部材に対する静電引力が発生し、可とう性部材40が領域30の方へたわむ。本発明による部材40の領域30の方への延びを第1b図に示す（ビームの下向きの最大延びがキャビティの下部表面に達しないことが好ましいことに留意されたい）。現在最も好ましい態様を示すために、第１図を参照されたい。第1a図の状態のデバイスが、h1が３λ/8のある倍数であり、h2が５λ/8であり、h3がλ/4nである（ｎは、デバイスが形成されている半導体の屈折率である）１組の測定値を有することに留意されたい（光の波長の1/2の倍数の厚さをh1、h2、またはh3に加えても、干渉は影響を受けず、したがってデバイスの機能に影響を与えずにそのような任意の倍数を完成製品で使用することができる）。
第1c図中のデバイスは「４分の１波スタック」を形成し、第１のキャビティ（31）（高さh1）がλ/4（またはその奇数倍数）であり、ビーム自体（h3）がλ/4の奇数倍数であり、上部キャビティ41（h2）の幅がλ/4の他の奇数倍数であり、キャップ50の幅も同様に、λ/4の奇数倍数である。そのようなスタックは、波長λの光を効果的に反射することが知られている。キャップは、それからの反射をゼロに近くすることができ、無視することができるように、反射防止コーティングで被覆することもできる。したがって、ｐ−ｎ接合で誘導される光電流は、この位置では最小限に抑えられる。反射成分（１、２、３、４）を第1a、1b、1c図の右側に示す。第1b図で、内部に反射するビームはすべて同じ位相を有し、したがってビームのフェーザが増大し、反射率が最大になる。
ビーム40が領域30の方へ最大延びに近づくにつれて、潜在的なエネルギーが増大する。ビームは、復元力が静電引力を圧倒する点に達し、第1c図に示した位置の方へはねる。第1c図で、表面どうしがλ/2だけ離れているので、反射ビーム（矢印１と矢印２）は相殺する。キャビティh1の厚さが波長の２分の１（またはそのある奇数倍数）であるので、反射ビーム（矢印３と矢印４）も相殺する。したがって、ビーム２は、ビーム１よりも全波長の分だけ遠くに移動する。この２つのビームが相殺するのは、ビーム１が、より密度の低い媒体から反射しても、反射時に位相が変化しないからである。ビーム２は、より密度の高い媒体からの反射時に位相を180゜変化させる。ビーム３および４に同じ位相変化の議論を適用すると、ビーム３とビーム４が相殺することの説明がつく。要するに、反射光が最小限に抑えられ、したがって、第1b図中の透過される光が最大になり、最大のホトダイオード電流を生成する。
ビリッジ・ビーム、プレート、極めて幅の狭いビーム、カンチレバー・ビーム、および類似の可とう性材料の振動サイクルについて説明する。Ｑ値および屈折率が妥当なものであれば、ビームを駆動する光をパルスすることも変調することもなしに、循環共振が発生する。この自己共振なしでも、結果として生じる静電引力を介して部材を駆動するように入射光のパルスまたは変調のタイミングを設定できることを認識されたい。そのようなすべてのデバイスで、駆動光のパルス率によって、関係する循環振動運動が発生する。このことは、ビームの運動を説明し、したがって、ビーム上で訓練された読取り光の反射の予想される光出力を説明するものである。部材は、直接電気手段、磁気手段、またはその他の手段で駆動することができるが、光駆動が好ましい。第１図に示した駆動は、ユニークな特性を有し、その特性のために、光抵抗構造が存在しないときでも支持体の機械的運動を検出するうえで有用な狭帯域選択的光変調器として有用である。第12図に示したように、所与の波長および入射角の場合のキャビティおよびマイクロビームの厚さを適切に選択することによって、この構造はマイクロビームの運動にうまく感応する。したがって、支持体の小さな運動によって、マイクロビームの運動が開始し、そのため、反射光が変調される。２つの有用な例として、音波発生モニタと圧電フィルタがある。
共振マイクロ構造体と関連する光構成要素は、より大きな構造に取り付けられ、あるいはより大きな構造の一部であるとき、より大きな構造中の音波発生用のモニタとして機能する。たとえば、亀裂のために発生する鋭い音響インパルスによって固有「リングダウン」動作がもたらされ、そのため、光が、最初の音響インパルスよりもずっと長い間続く共振周波数で変調され、その結果、反射光の強度を監視することによる事象の検出が容易になる。
光励起の代わりに圧電励起を使用してマイクロビームを駆動し、それによって、反射光を変調することができる。この構成が、圧電トランスデューサを使用してウェハ全体を励起することによって、共振構造をウェハ・レベルで試験するための非常に有効な手段であることが分かっている。低出力レーザからの光が試験中のデバイス上に合焦され、光検出部に結合された直径1mmのマルチモード光ファイバによって反射光が捕捉される。駆動電圧がマイクロビームの１つの共振周波数に等しい場合、マイクロビームを共振させるには試験中の圧電ポリマー膜トランスデューサに数ミリボルトを印加すれば十分である。したがって、圧電駆動構造は、共振周波数に非常に近い信号を、変調された光として検出できるようにする狭帯域フィルタとして働く。これに対して、他の周波数の信号の大きさは係数Ｑだけ減少される。それぞれ、異なる共振周波数を有する、同じチップ上のそのようなマイクロ共振器のアレイはすべて、同じ圧電トランスデューサによって励起され、それらを使用して周波数多重化信号を分離することができる。信号を異なるセンサに経路指定する、同じチップ上に製造された光導波管によって個別のマイクロセンサに対処することができる。
第1a、ｂ、ｃ図中の微細形状が、例示のために誇張されており、本発明の範囲を制限するうえで検討すべきものではないことを認識されたい。
第2a、2b、2c、2d図で、部材の時間に対する基板の方への変位（2a）、ビームに対する速度および摩擦力（2b）、逆の型の領域に到達する部分的な光強度（2c）、およびビームに対する静電駆動力の量（2d）がそれぞれ、線61、62、63、64として示されている。これらは全体的に、自己共振ホトダイオードに関する位相関係を説明するものである。これらの図を使用して、ピークのタイミングとたわみ部材の下方の領域に到達する部分的な光強度の関係、ダイオード（第2c図）とピーク・ビーム位置またはピーク部材位置の関係、ビーム位置または部材位置（第2a図）と、ビームに影響を与えるために使用できる静電駆動力Vd（第2d図）の関係に関して類似の関係を示す光・電気・機械カプラの関係を説明することもできる。ある種の構造では、これらの関係がある程度ゆがむが、好ましい実施形態の関係は、これらのグラフに表したものに類似している。ｘ（第2a図）の最大値が第1b図に対応し、最大の負の値が第1c図に対応することに留意されたい。
一般に、変位は、それが復元力および加速の逆のものであることを示す
0003612070.tif 000002
の関係に従ってｘによって表される。
速度は変位から導かれる。
ホトダイオードに到達する光強度は、系の可変反射率の関数である。ダイオード電流は、ip＝βｘとして定義される。この式でβは実数であり（すなわち、位相遅れなし）、正の帰還に関して第2c図に示したように負になるように（β＜０）選択される。
駆動電圧、すなわちVdは、付加インピーダンスZLによって決定される。重要な項は、電圧（Vd）の虚部、すなわち、ダイオード・キャパシタンスのために第2d図に示したように電流を遅延させる電圧成分である。したがって、ビームに対する静電力は、Vdに比例し、速度と位相および方向が同じである。この位相関係によって、電気エネルギーがビームに供給され、振動運動が維持される。
総駆動力は、駆動キャパシタ上の電荷ql（ql＝CdVd）の２乗に比例し、したがって下記の数式が成立する。
0003612070.tif 000003
好ましい実施形態の振動の振幅が最大で入射光の波長λの1/8であることに留意されたい。各内側表面での反射は33％であり、屈折率ｎ＝3.7（シリコンの場合）である。高い反射率と高い屈折率を有する他の高Ｑ材料を使用することもできる。
部材の運動の説明を完全にするために、ここで第12図を参照すると有用である。透過は、可とう性部材の底部とその下にあるキャビティの頂部の間のギャップ間隔の関数として示されている（表面は、部材の型とは逆の型の領域である）。曲線上の最も高い点は、最大光透過を表し、これらの曲線上の最小点は、ビームを通過する光の最小透過を表す。これらの線ａ、ｂ、ｃは、頂部キャップもシェルも有さないポリシリコン共振ビーム部材（ａ）、反射防止コーティングを含むシェルを有するポリシリコン共振ビーム部材（ｂ）、および反射防止コーティングを含まないシェルを有するポリシリコン共振ビーム部材（ｃ）に関するギャップ間隔を表す。理解を容易にするために上記で説明した指数が小さなケースは、余弦曲線（図示せず）を与える。好ましい実施形態は、正の帰還105の領域で動作する。負の帰還の領域は領域104である。したがって、最も好ましい領域102は、各曲線で勾配が最も垂直に近く、あるいは険しい領域である。光のある平衡点100（ｘ＝０）および光のない平衡点101も示されている。光は、可とう性部材を基板に接近させるdc電圧を光起電力デバイス上で確立した。この図で、曲線ｄ上に示したように、ｘの正の方向は左側である。
本明細書で説明する概念は、従来技術に記載された概念とは異なるものなので、ここでは発見的モデルによる他の例も含める。したがって、第3a図および第3b図を参照されたい。第3a図では、デバイス11が再び断面図で示され、ビームの変位ｘが、ビーム40の静止位置の上方と下方の両方に点線で示されている。ここでは、ｐ−ｎ接合21も指摘されている。
第3b図は、本発明のデバイス11の発見的モデルを示す。物理的には、デバイス11は、キャパシタ（キャパシタ・プレート、すなわちＭおよびＲ）の振動中に移動体Ｍ（ビームまたは可とう性部材はＫであり、Ｍでもある）をぶら下げるばね定数Ｋを有するばねＳを有する。容量関係は、１つの部材と、可とう性部材の下方の材料または可とう性部材の上方のキャップ、あるいは、この場合は素子Ｒとして示されたその両方との間の関係である。光線「ａ」（波長λおよび強さPi）はホトダイオード30に当たる。関連する運動の式は、機械的振動について説明する物理論文で一般に使用される下記の数式で表される。
0003612070.tif 000004
上式で、ωｏは、角周波数（ラジアン／秒）であり、Ｑは共振の特性値であり、Ｆは振動を維持するのに必要な外部の力であり、Ｍは振動部材の有効質量である。
静電駆動力の式は下記の数式であると考えられる。
Ｆ＝F0＋Ｆωｅｉωｔ
光誘導電流は、光強度に比例し、下記の数式によって与えることができる。
Is（EqeV/kT−１）、
上式で、Isはダイオード飽和電流であり、qeは電荷であり、ｋはボルツマンの定数であり、Ｔは絶対温度である。
dcバイアス電圧の式は、下記のＶに関する数式を解くことによって得られるはずである。
0003612070.tif 000005
ac駆動電圧は、共振周波数での光起電力構造のacインピーダンスに、光生成電流のac成分を乗じた値によって与えられる。このacインピーダンスは、電気抵抗のための実部と、キャパシタンスのための虚部とを有する。容量性成分とは、第2d図に示したように、マイクロビームを駆動するうえで有効な成分である。あるいは、数学的には、Vd＝kT/Qe＊sq.root（１＋jwt）である。この数式で、ｔは小数キャリアの寿命であり、自己共振に関する最低しきい値となるように最適化することができる。
第3c図は、別々の構成要素間でこのデバイスによって行われるエネルギーの交換を簡単に示すものである。ホトダイオード、共振器、および共振フィルタは、周知のものであり、Jones、Naden、およびNeat（上記で引用）の論文に記載されたデバイスに類似の自己共振デバイスを形成するように組み立てることができる。本発明では、これらの素子が単一の構造として合体され、分離することはできない。静電駆動される可とう性部材の静電駆動要件の分析は、Skor著"Vibrating  Systems  and  their  equivalent  circuits"Elsevier  Press,1991年に記載された。本明細書の概要の節で引用した論文に記載されたプロセスによって構築されたデバイスは、100000程度のＱ値を示し、駆動エネルギー要件は10-14Wであった（Ｑは、振動部材に関する共振の鋭さおよび１サイクル当たりの最大蓄積エネルギーとエネルギー損失の比を記述するために使用される経験パラメータである）。
（第12図を参照して）シリコン（ｎ＝3.7）の屈折率が高いので、各界面での反射率が高くなり、複数の反射によって透過曲線がファブリ・ペロー干渉フィルタの透過曲線に類似するものとなることに留意されたい。したがって、振動の振幅はたとえば、λ/8よりもずっと小さく、たとえばλ/20でよく、依然として高い変調効率が得られるはずである。
屈折率が異なり、かつＱが異なる場合、結果は説明した結果よりもよく、あるいは悪くなるが、類似の機能も得られるはずである。
次に第4a、4b、4c図を参照すると、デバイス12が、駆動・検知機構用の光ファイバ13に対する位置関係で示されている。これらの図は、基本モードよりもどれだけ高い次数のモードを励起できるかを示す。これらの図には、光・熱駆動ビームがどのように他のビーム中でも類似の効果をもたらすことができるかも示されている。この２つの駆動機構を共に使用して有用なデバイスを構築することができるが、本明細書では、説明を簡潔にするためにこの２つの独立の異なる概念を１組の図上で組み合わせる。この構成の光・熱駆動センサを駆動するには、ホトダイオード駆動センサに必要なよりもかなり多くのエネルギーが必要であることに留意されたい。光・熱センサでは、駆動機構は主として、光ファイバ13から放射エネルギーを吸収するビーム40上に位置する吸収体材料14から成る。吸収体は、ビームとはかなり異なる膨張係数を有し、ビームから熱的に絶縁することが好ましい。この図では、吸収体材料14はビーム40の一端に位置する。変調された放射が吸収されるので、ビームは、光エネルギーがf1で変調されるか、それともf0で変調されるかに応じてそれぞれ、第4bおよび4c図に示したように基本モードf0または第１のオーバートーンf1に光熱的に駆動される。
（前述の光熱駆動デバイスに対して）ここでの光・電気・機械デバイスでは、吸収体材料がビーム40上になく、かつ光がビームを通過して領域30に至る。基板20中のビーム40の下方に逆の型の材料のこの領域30を配置することによって、ホトダイオードは、領域30位置でビーム40を引き付け、したがって、第4bおよび4c図に示したように基本振動モードまたは第１のオーバートーン振動モードを励起する。このケースでは、パルス／変調駆動ビームを使用して、光・熱駆動機構、または本発明のホトダイオードを使用する駆動機構で望ましい振動を発生させると仮定する。パルスが周波数f0またはf1で周期的である場合、対応する単一のモードしか励起されない。（楽器の弦をかきならしたときのように）急激なステップ関数パルスを印加する場合、複数のモードを同時に励起することができる。
（説明を明確にするために、領域14と領域30が、好ましい本発明のデバイス中では共存しないが、ほぼ重複する数組の図面が必要とされないように図面には示されていることを認識されたい）。同様に、モードの励起は、共振マイクロビームの質量の中心を二等分するセンターラインからホトダイオードを離して置くことによって行われる。
共振ビームの多数のモデル振動特性の良好な説明は、上記で引用したZook等の"Characteristics  of  Poly−Silicon  Resident  Microbeams"と題する論文に記載されている。ビーム上の様々な位置へ向けられた読取り光線（または複数の読取り光線）を使用することにより、本発明の光変調器特性を使用する反射読取りビームの変調によって様々なモードを読み取ることができる。
第4d図は、ビーム励起の融通性を追加するために、この構造をどのように逆の型の複数の領域を含むように修正できるかを経験的に説明するために提示されている。異なる領域30a、30bに到着する入射光線のタイミングを変化させることによって、刺激の高い融通性を達成することができる。
本明細書に記載した本発明の多数の異なる態様を容易に構想することができ、それらを本発明の範囲内で検討する。このうちのいくつかを以下に示す。次に、第5a、5b、5c図を参照する。第5a図には、キャビティ31と逆の型の領域30の上方およびキャビティ41とキャップ50の下方にカンチレバー・ビーム部材40cを有する基本カンチレバー駆動デバイスが見られる。このデバイス13はもちろん、前記のデバイスに関して説明したのと同様に駆動される。入力された連続光線またはパルス／変調光線は、キャップ50およびビーム40中の材料を通過して逆の型の領域30に到達し、ホトダイオード効果によって静電力を生成してビーム40cの振動を開始させる。このテーマをわずかに変更した例は、第5b図のデバイス13aに記載した構成に類似の構成で実現することができる。このデバイス構造では、ビーム40cに、光線Ａをホトダイオード30に当たる角度で透過させることができる。入射角度が大きいほど、表面の反射率が高くなる。ファブリ・ペロー干渉計の場合と同様に、反射率が高いことは、光フィネスが高いことを意味し、強め合う干渉と弱め合う干渉に関する条件がより臨界的なものとなる。したがって、第12図中の勾配はより険しくなり、有効利得が増加する。したがって、自己共振に関するしきい値を減少することができるが、キャビティおよびマイクロビームの厚さに関する公差がより臨界的なものとなる。
第5c図に関して説明した実施例も例示的なものであるが、両端で拘束または固定されたブリッジ型ビームを示す。発見的デバイスとして、どこでブリッジ型ビーム40からカンチレバー・ビームを作製することができるかを示す点線で領域52が示されている。構成が終了した後、ビームの構造を修正することは困難になるので、これはもちろん、例示のためのみのものである。やはりここに示されているように、頂部キャップ50がなくても、すべての実施例、特に、自己共振が必要とされない実施例は、適切に機能することができる。頂部キャップが欠落している場合、真空排気チャンバを使用することができず、したがって、ビームの運動が、ビームの上方およびビームの下方のキャビティ31中の流体の存在の影響を受けることに留意されたい。流体の環境の変化によるビームの共振に対する流体の存在の影響を測定することが望ましい場合、この構成はそのような検知応用例に特にうまく適応させることができる。マイクロビーム表面上の選択的な吸着／脱着によるマイクロビームの追加質量装荷によって、共振周波数がシフトされ、したがって、化学検知応用例でこれを使用することができる。大気圧の変化によってデバイスＱの変動を監視することにより、キャップなし共振素子によって低い圧力を測定することも可能である。たとえば、この構成のセンサは、前に密封された容器の密封性の喪失を検出する。第5c図には、ユーザのニーズに適合するように逆の型の材料30のホトダイオード領域の寸法を大きくし、あるいは小さくすることも示されている。可とう性ビームよりも先へ延びるダイオードの部分は、ビームを駆動する変調電流を提供しないが、照明されると、追加dcバイアス電圧を提供することができる。この駆動力は、ac電圧とdc電圧の積に比例すると考えられる。したがって、好ましいいくつかの実施形態では、ホトダイオードの寸法および面積を増加できることを示すために点線の領域30aおよび30bが追加されている。
本発明によって構築されたデバイスに関する容易に得られる応用例を第6a図に関して説明する。この図で、加速度計チップ14は、頂部ストップ・減衰プレート15と、底部ストップ・減衰プレート16と、開放空間19aおよび19bの上方および下方のバイプレーン・フレクシャ18によって懸垂されたプルーフ・マス17とを有するものとして示されている。このような教示によって構築された光学的に共振するマイクロビームを一方のバイプレーン・フレクシャ18上に置くことにより、バイプレーン・フレクシャ18中のプルーフ・マスの移動によって誘導される応力は、共振マイクロビーム構造９中の可とう性部材の振動率に影響を及ぼす（ユーザにとって最も重要な運動方向によって最大のひずみが与えられるように配向させた二重拘束ビーム態様が好ましい）。温度を補償し、第一次効果を数値的に減算して取り消すことができるように、追加マイクロビーム（図示せず）を適切に位置決めすることができる。駆動・検知光は、光ファイバ・ケーブルまたはチャネル７を介して発光ダイオード（またはレーザ、あるいはその他の光源）22から供給され、光検出器または干渉読取り構造23によって受け取られる。自己共振を使用しないとき、別々の供給／源／波長を使用して、読取りビーム反射と駆動ビーム反射を区別することができる。適当な増幅器を用いれば、閉ループ系が振動するように、妥当な位相および適当な振幅で、ホトダイオード23の出力を光源22の駆動機構に帰還させることができる。同様な閉ループ動作は、Zook等によって前述の文献に記載されている。第6bおよび6c図は、この場合は一体に形成された基板68によってチューブ66に取り付けられた圧力ダイアフラム68aへの他の応用例を示す。共振デバイス65は、ダイアフラムの応力に対する最大電位の領域に位置する。どちらの図でも、光ファイバ67はデバイス65との間で光を透過させるが、第6c図では、ファイバは、導波管69によってデバイス65に連結された「Ｖ」字形溝67a内に取り付けられている。精密応用例では、追加マイクロビーム（図示せず）によって、一次非線形性を取り消し温度を補償することができる。
第6dおよび6e図は、本発明を使用することができる、第6a図に類似の加速度計の他の態様を示す。第6fおよび6g図は、基板の幅の狭いカンチレバー拡張部上のひずみ感応たわみ部材を備える代替センサ態様を示す。拡張部は、一端のみに取り付けられ、ほぼ自由に屈曲することができる。賢明に材料を選択することによって様々な刺激に反応するようになされたバイモルフ・ストリップまたはバイマテリアル・ストリップを形成するために異種材料を頂部または裏側（図示）に付着させてある。カンチレバー拡張部は、パッケージが誘導する応力から効果的に絶縁されており、感度を増大させ応答を高速にするために幅を狭くしてある。たとえば、ガラスをスパッタリングすると、熱膨張係数の不一致のために温度に反応するバイモルフ・センサが与えられる。温度が変化すると、カンチレバー拡張部よりもガラスの方が大きく膨張し、バイモルフが湾曲し、その結果、たわみ部材の周波数が変化する。付着させる材料の他の例には、水の取込みと共に膨張して湿度を検知する湿度感応ポリマーが含まれる。種選択膜によって、選択的化学センサが生成される。磁気ひずみ膜を使用すると、近接検知応用例用の磁界センサが生成される。圧電材料によって電界センサが生成される。温度補償効果は、第２の温度感応マイクロビームによってもたらすことができる。温度の変化を補償する係数として選択された熱膨張係数を有する材料で第２の層を付着させることもできる。
このデバイスは、その最も簡単で最も効率的な態様では、パルス反復率がビームのたわみ率に対応するディジタル適合パルス出力を生成する。
第７図は、自己共振しない本発明の代替実施例を示す。この実施例では、変調された駆動ビームまたは励起ビームＤは、可とう性ビーム部材40aと同じ空間で延び、かつこの場合は、頂部キャップ50aとも同じ空間で延びるように形成されたｐ−型領域30aに当たる。30aと21の間のホトダイオード接合部での電荷の増大によって、ビーム40aは、ウェハ21に引き付けられ、前述の他の実施例に関して説明したのと同じ種類の共振運動を発生させる。部材40aの可動表面上で訓練された読取りビームＲは、前述の他の実施例に関する他の可とう性部材の運動の場合と同様に、読取りビームの反射において部材の運動を示す。
第10図は、このデバイスの非自己共振態様に関してこの特許で説明するセンサの出力を励起して読み取るシステムのブロック図を示す。センサ80は共に、この場合は２つの特定の周波数のレーザ光を送り受け取る光ファイバ84上にある。ビーム励起レーザは850ナノメートル変調レーザ81である。このレーザは、光ファイバ・ケーブル88に適当なパルス率を生成するようにスイープ・ゼネレータ82によって変調される。別の読取りビーム・レーザ86は、950ナノメートルの波長を連続的に生成する。3dbカプラ85は、反射光を分離して検出器へ送るビーム・スプリッタとして経路中に使用されている。
レーザ86からの950ナノメートル光は、光路84に沿ってセンサ80へも移動する。本発明のデバイス中の反射可とう性部材の振動率を変化させることによってこの読取りビームが反射されると、時間変動ディジタル信号が光路84に沿って返される。分割マルチプレクサ83を介して光路87に至るのは850ナノメートルの波長だけであり、光路87は、光カプラ85を介し検出器経路93を通じて反射光を返す。850ナノメートル・フィルタ89は、返された850ナノ以外のよけいな読取り光線を拒絶するために設けられる。光検出器90（InGaAsでよいが、他の種類、たとえばシリコンでよい）は、それが受け取るディジタル光信号に対応するディジタル電気出力を生成する。フェーズ・ロック・ループなどロックイン検出器91を使用して、信号を増幅し出力92を生成することができる。小さな周波数シフトでは最大信号が観測される。どの周波数がどのセンサに対応するかを識別し、周波数シフトを適切なセンサ（たとえば、圧力センサや温度センサなど）に関連付けることは容易である。大きな周波数シフトでは、オーバートーン周波数を測定して各センサからの共振を分類する必要がある。
第８図で、可とう性部材40cは、ウェハ21と同じ型の電気型材料で形成されている（図のビームは、点線40dで示したセクションを削除することによってカンチレバー構造として容易に構築することができる）。逆の型の材料の領域30bは、可とう性部材40cを含む封止領域の縁部を越えて延びる。ベース接点として働く電気接続部22が設けられ、ｐ−ｎ接合部に逆バイアスを与えるように他の電気接続部23がウェハ21に接続される。逆バイアスｐ−ｎ接合部を設けることにより、非常に小さな光起電力によって、可動部材40cを逆の型の領域、またはｎ−型領域の方へ引くのに十分な電荷を生成することができる。バイアス電圧を調整することによって、自己共振またはビームの運動を発生させるのに必要な励起ビーム中の光の量を調整することができる。第８図に関して説明した本発明を使用して多数の問題を解決することができるが、欠点は、電気接続部を確立しなければならないことである。ある種の応用例では、明確に定義された周波数のac出力を有する光検出器としてこのデバイスを使用すると有用である。この場合、デバイスは他の雑音源の影響を受けない。自己共振は、光に対する組込みチョッパとして働く。
本発明の他の態様は、環境から発生する電圧用の環境電圧センサとしての態様である。このセンサの接点間の電圧は、マイクロビームを駆動する光電圧に加えられ、あるいは前記光電圧から減じられる。電極が腐食性溶液など電解液に接触すると、導電経路が確立され、デバイスの動作に影響を及ぼす電気化学電位が生成される。振動に関するしきい値および第２の調波生成に関するしきい値は、振動の周波数と共に影響を受ける。したがって、このデバイスは、普通なら測定を妨げるEMI環境およびRFI環境で腐食状態および腐食電位を鋭敏に測定することができる。電極22および23に２つの異種電極金属を使用することによって、センサが水性環境にあるとき、EMF（すなわち、バッテリ）が生成される。EMFに関連する電圧は、センサの内部光起電力構造に対して明確な極性を有し、したがって、振動に関する光強度しきい値を増加または減少させることができる。適当な電極設計を用いれば、イオン選択的電極設計および製造に関する知られている技術に鑑み本明細書で教示した技法および構造を使用して、pHセンサまたはその他のイオン選択的センサを作製することもできる。
好ましい他の態様を第11aおよび11b図に示す。これらの図で、大きな領域30は、構造110全体を基板111から電気的に絶縁するものである。キャップ50は、どちらの型の材料でも形成できるが、この場合は可とう性部材40と同じ電気型の材料として示されている。キャップは、非ドープ多結晶シリコンで形成された場合、電気的に中立であり、ｎ型でもｐ型でもない。ただし、ｎ型またはｐ型でも受け入れられる。すべての実施形態の場合と同様に、駆動光源とホトダイオードの間に可とう性部材を置くことによってこのようなデバイスの有用な効果がもたらされる。
第13図の実施形態は、第８図の実施形態の変形例であるが、駆動接点43と、ダイオード接点42と、ベース接点44とを有する。金属部（この場合は電気接点の接続部）を有するこのようなデバイスに関しては、高温検知応用例に適合させることができないことに留意されたい。金属接点は、温度が高く応力が大きいと故障することが予想される。これに対して本発明の金属部を有さないそのような態様は、影響を受けず、ずっと極端な条件および検知要件で機能することができる。
第13図は、本発明の光変調特性を使用できる実施形態を示す。この実施形態では、ベース41とは逆の型の材料の２つの別々の領域30および31がベース電極44に接続される。ビーム40およびカバー50もベース41に直接接触している（図示せず）。この構造では、駆動電圧を電極43を介して印加することができ、可動ビームによってもたらされる変調を電極42で検知することができる。この実施形態の構造では、大きな駆動電圧が許容され、機械的Ｑが低い応用例で最も有用である大きな検知信号が与えられる。
本発明の特性は、変調利得を示すことができることである。これは、ビームの共振周波数での変調光によって照明されたとき、反射光が、入射光とは異なる変調指数を有することができることを意味する。光の反射は、変調指数を保存する非常に線形のプロセスなので、これは明らかに、このデバイスが「活動」デバイスであることを示す。反射光は、光検出器によって検出し、増幅し、ビーム上に入射した光の変調器へ帰還させることができる。利得が１よりも大きく、帰還信号の位相が正しい場合、そのような系は、ビームの共振周波数で振動する。実際には、系は、上述のように、共振マイクロ構造体が顕著な変調利得を有さない限り、限界的にしか動作しない。
本発明は変換利得も示す。励起光の強度が増加するにつれて、ビームの振動の振幅が増加する。振幅が十分なものであるとき、振動のピークで反射率の最大値または最小値（あるいはその両方）に到達し、オシロスコープ上に示された反射光が、折れ始め、強力な第２の調波と、場合によっては第３の調波が生成されたことを示す。この動作は、広帯域オシロスコープ上では、波形の各サイクルが鏡対称性を示すので明白である。この極めて非線形の動作は、光起電力発振器（LEO）デバイスが、一般に、スーパーヘテロダイン受信機の第１段で使用されるミキサ発振器として使用できることを示す。この特性は、振動または音波発生事象（亀裂の形成または亀裂の成長のための音波発生事象など）を高感度で検出するうえで非常に有用である。音波発生事象は、ビーム支持体を移動することによってマイクロビームを励起し共振運動させる横波を構造中で発生させる。この効果を使用して、光学手段によって音波発生を検出することができる。ビームがすでに、たとえばLEO動作のために、第２の調波生成に関するしきい値近くで振動している場合、第２の調波周波数に調整された受信機は、発振器／ミキサ動作に関連する変換利得のためにこの事象をより高い感度で検出する。音波発生事象のインパルス性のためにリングダウン・シグニチャがもたらされ、このこともこの事象の識別を助けることができる。
共振マイクロ構造体と光源の間の光結合の効率は、マイクロビームの寸法および形状を賢明に設計し選択することによって向上させることができる。具体的には、振動の最大の振幅を受けるビームの部分の幅を支持体近くの領域よりもはるかに広くし、それによって、目標ホトダイオードの寸法を増加させ、したがってそのダイオードからの信号を増大させることができる。次いで、より幅の広い領域の下方に光起電力構造を組み立てる。たとえば、光が、コア直径が62.5ミクロンのマルチモード光ファイバからクランプ−クランプ・マイクロビームに結合される場合、高い機械的Ｑが得られるように、マイクロビームのその領域の幅を少なくとも62ミクロンにして、同時に、支持体領域の幅をそれよりも狭くすると有利である。この幅の広い部分の幅はどれだけ広くしてもよい。というのは、この形状では最小次ねじれモードの周波数が低くなり、そのため、望ましくないモード混合が発生するからである。
同じ構造で複数のマイクロビームを使用する場合、マイクロービームと下部構造のモードとの結合を低減することができる構成は、顕著な利益をもたらすことができる。このように結合を低減することによって、Ｑも高くなり、その結果、共振周波数の精度が向上する。支持点が、横寸法上の節点にある場合、質量の中心はマイクロビームの振動時に固定されたままである。
ホトダイオードが共振マイクロビームを駆動することができる他の方法は、静電力ではなく磁力によるものである。そのような実施形態では、ホトダイオードは、光電流が直接マイクロビームを通過して流れるように接続される。マイクロビーム中の光電流は、表面の平面中の外部磁界のために表面に垂直であるが、マイクロビームの長さに垂直な（言い換えると、光電流に垂直な）力をアンペアの法則に従ってマイクロビーム中で生成する。マイクロ構造体の寸法を正しく選択した場合、そのようなデバイスは、十分な光強度レベルおよび磁界強度レベルで自己共振する。そのようなデバイスは、磁界が臨界値を超えたときにのみ振動する近接センサとして使用することができる。この種の簡単なセンサは、ドアおよび窓の侵入者警報システムで広く使用されており、たとえば、自動車や工場の組立ラインなどの応用例で使用することができる。
そのような構造を製造する簡単な方法は、構造の単結晶ベース材料中の高品質ホトダイオードｐ−ｎ接合部をポリシリコン・マイクロビーム中の低品質ｐ−ｎ接合部に並列させることである。低品質ｐ−ｎ接合部はホトダイオードをほぼ短絡させ、必要に応じてマイクロビーム中を電流が流れる。
第15図は、ほぼ平坦なたわみ部材のいくつかの実施形態を示す。第15a図は、２つの縦長のスリットによって画定された矩形形状を有する部材の平面図を示す。この部材は、加えられた軸方向ひずみを共振周波数のシフトとして結合するように各端部で取り付けられる。この部材のすぐ下にあるｐ−ｎ接合部は、点線で示されている。光結合のためにより広い公差を許容するより広い中央セクションを有する形状を第15b図に示す。第15c図は、中央から外れた位置に位置する１つまたは複数の下部ホトダイオード領域を使用してねじりモードを励起する形状を示す。追加形状には、高感度、高機械的Ｑ、および非励振素子に対する低結合度を約束する、横に並べてあるいは上下に重ねて配置された複数のたわみ部材が含まれるが、これに限らない。マイクロビームの横縁部上の離れた節点で基板に取り付けられないたわみ部材は、ある種の応用例でこれらの利点を提供する。
請求の範囲によってのみ制限される本発明の範囲内の他の多数の実施形態について説明する。
プロセス
このようなデバイスを構築するには、以下の第９図の議論に関して図示した特定の１組のステップを使用することができる。
第9a図ないし第9g図は、本発明の好ましい一実施例などの構造を製作するために使用される集積回路型処理ステップを示す。
第9a図は、ホトレジスト・窒化ケイ素マスク72を使用するイオン注入後の半導体基板70の断面を示す。このインプラントは、ｎ型半導体ウェハまたはepi（エピタキシャル成長）層の表面近くに、逆の導電型のシリコン、この場合はｐ型シリコンの領域を作製するために使用される。
第9b図に、１組の選択的酸化ステップの結果を示す。窒化物72を、下記キャビティ73を形成する領域の上方でパターン化しエッチする。厚さが下部ギャップ厚さにほぼ等しい酸化層を熱成長させ、エッチ・バックし、再成長させ、下部キャビティ酸化物73とウェハ基板70の表面の間にほぼ平坦な表面を形成する。
第9c図は、チャネル74を形成した後の断面を示す。チャネルは、窒化物層72をパターン化し、選択的エッチング液を使用してエッチングを施すことによって形成される。
第9d図は、ビーム構造75用の多結晶シリコンおよびエンクロージャ76の壁を示す。好ましい実施例のこのステップでは、ポリシリコンにイオン注入を施してビームを軽くドープする。次いで、ビーム・ポリシリコンをパターン化し、エッチし、第9d図に示した構造が形成される。
次に、第9e図を参照すると分かるように、低温酸化膜（LTO）を付着させ、パターン化し、エッチし、上部キャビティ領域77を形成して、シェルをビームおよび基板に付着させる領域でLTOを除去する。
第9f図に、キャビティ領域またはシェル73の頂部を示す。第２のポリシリコン層を付着させ、注入、パターン化、エッチングを施すことによって、シェル73を形成する。アニールを使用して注入物を活性化して叩き込み、ビーム・シェル・ポリシリコン層中に公称ひずみフィールドを確立する。
第9g図に、フッ化水素酸溶液を使用して、チャネル領域、下部キャビティ領域73、および上部キャビティ領域77中の犠牲材料74を除去することが示されている。この場合、領域73と領域77は全体として、好ましい実施例のマイクロビームの周りにキャビティ・エンクロージャまたはカプセルを形成する。低圧化学蒸着（CVD）ポリシリコン（図示せず）の薄い密封層を付着させ、キャビティ領域中に真空を形成し密封する。最後の窒化ケイ素不活性化層（図示せず）を表面の全体にわたって付着させて、密封を高め反射防止コーティングとして使用することができる。
このプロセス・フローは、静電駆動／圧抵抗検知手法に勝る光駆動／検知共振マイクロビームの有利なプロセス削減を示す。このプロセス・フローは、自己共振態様でも非自己共振態様でも有用である。自己共振態様は、ギャップ寸法およびマイクロビーム厚さ方法を慎重に選択することを必要とするが、その他の点では非自己共振手法と同じである。
本発明の共振マイクロビームの必要なマスキング・レベルの数は、下部駆動レベル、下部キャビティ、チャネル、ビーム、上部キャビティ、およびシェルの６レベルに減少される。下部駆動レベルは、基板中のマイクロビームのすぐ下に光励起デバイスを形成するために使用される（光励起デバイスは、入射放射で刺激されたときに光励起効果のために電界を生成する。与えられた光は、非自己共振手法の場合と同様に変調しても、あるいは自己共振モードでは単一の波長のまま変調しなくてもよい）。下部キャビティ・マスクは、マイクロビームの下方にキャビティ領域を形成するのに必要である。必要に応じて電気的接続に用いられる、ホウ素や、ドーピングに有用なその他の元素などの材料の注入を、このマスキング・レベルを介して行うことができる。チャネル層は、犠牲材料を除去するために上部キャビティおよび下部キャビティにアクセスできるようにするために使用される。チャネルは、密封のために薄くする必要がある。ビーム層は、マイクロビームを表す（この好ましい態様では）縦長のスリットをビーム多結晶シリコンに切削するために使用される。上部キャビティ層およびシェル層によって、マイクロビーム用の真空エンクロージャが完成される。上部キャビティの厚さおよびシェルの厚さは、（自己共振モードでは駆動光と同じ波長および源、あるいは非自己共振モードでは第２の波長の）検知放射の最大強度変調を行うのに最適な厚さになるように設計することが好ましい。後で、一体型光導波管をシェルタ上に形成することができる。
この好ましい実施例の光共振マイクロビームの処理は、シリコン・ウェハを約50nm（500Å）にわたって酸化し、前記ウェハ上に約80nm（800Å）の窒化ケイ素を付着させることから開始する。ウェハは、ｎ型でもｐ型でもよく、ダイアフラムまたはフレクシャを形成するためにエピタキシャル成長層を含めることができる。下部駆動マスキング・レベルを使用して、窒化物をパターン化しエッチする。酸化物を通してホトレジスト・マスクを注入し、第9a図に示したように、基板にPN結合部を形成する。次のマスキング層の下部キャビティは、二重酸化ステップ用の窒化物中の窓を形成する。窒化物を酸化バリアとして使用して、約440nm（4400Å）の酸化層を成長させる。この酸化物をHF溶液で剥離し、同様な厚さになるまで再成長させ、第9b図に示したように、マイクロビーム用のほぼ平坦な表面を形成する。希釈フッ化水素酸エッチング液を使用して酸化トリム・エッチを行い、下部キャビティ深さをより微細な公差に設定し、たとえば、800nm入射放射では376nm（6760Å）に設定する。窒化物をブランケット・ストリップで完全に除去し、その後、第9c図に示したように、エッチ・チャネルをパターン化しエッチする。この時点で必要に応じて、チャネル高さを低減させるトリム・エッチを実行する。次に、ビーム・ポリシリコンを付着させ注入する。ビーム・ポリシリコンの厚さは、自己共振モードでは重大であり、励起波長が800nm（8000Å）の場合に486nm（4860Å）を目標とする。ビーム・インプラントとシェル・インプラントが、同じドーパントを使用し、かつ下部単結晶基板またはエピタキシャル成長層と同じドーパントを使用することが予想される。第9d図に示したように、ビーム・ポリシリコンをパターン化しエッチする。マイクロビーム上にLTO層を共形的に付着させる。LTOを上部キャビティ層と共にパターン化し、第9e図に示したように、上部犠牲層を形成するようにエッチする。厚いシェル・ポリシリコン（2.0μｍ）を付着させて注入し、その後、950℃でのアニールを施して、ひずみフィールドを設定し注入物を叩き込む。反射防止窒化物コーティングを使用して上部シェル表面からの反射を打ち消す場合、シェルの厚さは重大ではない。次いで、第9f図に示したように、シェル層を使用してポリシリコンをパターン化しエッチする。HF溶液を使用して犠牲エッチングを施し、その後、引っ張り出してキャビティをリンスし乾燥させる。160nm（1600Å）のポリシリコン層を付着させて、第9gに示したように、真空を密封し反応シールを形成する。反射防止コーティングとして追加機能を実行する104nm（1040Å）の窒化ケイ素不活性層をウェハ全体にわたって付着させる。
特定のセンサ応用例用のマイクロ構造体を完成するには、第９図には詳細に示していない追加プロセス・シーケンスが必要である。たとえば、圧力センサでは、基板の局部を薄くすることによってダイアフラムを形成する必要がある。ダイアフラムは、エピ層の厚さと、エッチングの前の適当なマスキング層中の妥当な寸法の窓によって画定される。低レベル音響信号の測定には大きな薄いダイアフラムが適している。第6e図に示したカンチレバー・プルーフ・マスおよびフレクシャ・アセンブリでは、ダイアフラム型エッチング・シーケンスを実行し、その後トレンチをエッチングしてプルーフ・マスの形成を完了する。同様な手順が、第6f図に示したバイモル構成のカンチレバー拡張部を画定するために使用される。基板の研削、研磨、およびダイシングによって、ロード・セル、力センサ、構造正常性監視アレイ、および音波発生センサに組み込むことができる離散ひずみセンサ・アレイが生成される。腐食センサを囲む異種金属用の電気接点を提供するには、追加パターン化ステップを追加する。これらの技法は、当業者には明らかでよく理解されており、本明細書では具体的には取り上げない。
オーバキャップを有さないデバイスの構成が示された第14図も参照されたい。この構成では、可とう性ダイアフラム層の下方のギャップ30中に真空を維持することも、あるいは、可とう性部材40を、真空でなくてもよいギャップ30の上方で、２つの端部で固定され、あるいは片持ち梁状に固定されたビームとすることもできる。そのような実施形態では、反射防止コーティング42を使用して、可とう性部材を被覆することが好ましい。
当業者には、このプロセスの説明をわずかに変形した多数の例が思いつこう。それらはすべて、以下の請求の範囲によってのみ制限される本発明の範囲内のものである。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図６ｅ】
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【図１ｃ】
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【図１２】
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【図３ｃ】
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【図６ｄ】
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【図２】
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【図５ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図９ａ】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｃ】
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【図９ｂ】
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【図６ａ】
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【図１３】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｇ】
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【図６ｆ】
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【図７】
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【図８】
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【図９ｃ】
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【図９ｄ】
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【図９ｅ】
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【図９ｆ】
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【図９ｇ】
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【図１０】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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