(57)【要約】  第１シリコン層および第２シリコン層の提供を含むマイクロマシン装置の形成方法が開示される。第２シリコン層の一部分が、エッチングされて摺動部分と層部分を形成する。摺動部分は層部分に対して移動できる。摺動部分の寸法および形状に一致する寸法および形状を有する第１シリコン層の一部分が、被覆材料で被覆される。次いで、第１シリコン層の被覆された部分が、ほぼ第２シリコン層の摺動部分と位置合わせされるように、第１シリコン層が、第２シリコン層の上に配置される。ボンディング動作が実施されて第１シリコン層を第２シリコン層にボンディングする。被覆材料は、ボンディング動作の間に摺動部分を第１シリコン層から分離して摺動部分が、第１層とボンディングするのを防止する。この方法は、被覆材料に隣接する領域内にだけボンディングを強め、または引き起こすことになる被覆を用いて第１シリコン層の選択的被覆部分によって実施されてもよい。１つの材料が第１シリコン層の一部に置かれてボンディングを防ぎ、第２の材料が第１シリコン層の他の部分に置かれてボンディングを強め、または引き起こすハイブリッド・プロセスが、やはり可能である。
2007533921.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の材料層の選択的ボンディングによってマイクロマシン装置を作製する方法であって、
ａ）第１材料層を提供すること、
ｂ）第２材料層を提供すること、
ｃ）前記第１層の第１部分上に被覆を設けること、および
ｄ）マイクロマシン装置を形成するために前記第１層と前記第２層を互いにボンディングすることを含み、前記被覆が、前記被覆部分が前記第２層にボンディングするのを防ぐのに効果的であるマイクロマシン装置の作製方法。
【請求項２】
前記被覆材料が、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ポリマー・フィルム、フルオロカーボン・フィルムおよびケイ素セラミック材料からなる群より選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記被覆材料が、窒化ケイ素である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第２層が、層内に形成された複数の機械的部品を有し、前記機械的部品が前記第２層の静止部分に対して移動できる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
段階ｃ）では、前記被覆が、前記第２層内に形成される前記機械的部品の位置に一致する位置で、前記第１層上に設けられ、したがって前記第１層が前記第２層に隣接して配置される場合に、前記被覆部分が前記機械的部品に隣接する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
更に、次の段階ｄ）が、
ｅ）第３材料層を提供する段階と、
ｆ）前記第３層の第１部分上に被覆を設ける段階と、
ｇ）前記第３層と前記第２層をボンディングする段階とを含み、前記第３層上の前記被覆が、前記被覆部分が前記第２層にボンディングするのを防ぐのに効果的である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
段階ｆ）では、前記被覆が、前記第２層上に形成される前記機械的部品の位置に一致する位置で、前記第３層上に設けられ、したがって前記第３層が前記第２層に隣接して配置された場合に、前記被覆部分が前記機械的部品に隣接する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
更に、次の段階ａ）が、ａ１）前記被覆材料が段階ｃ）で前記部分に適用される場合に、前記被覆の上面が、ほぼ前記第１層の隣接上面と同一平面にあるように、そこの厚さを低減するために前記第１層の前記第１部分を薄くする段階を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
段階ｄ）では、フュージョン・ボンディング工程が、前記第１層を前記第２層にボンディングするのに用いられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
段階ｄ）では、直接ボンディング工程が、前記第１層を前記第２層にボンディングするのに用いられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
更に、段階ｃ）の前に、
ｃ’）前記第１層の第２部分のマスク段階であって、前記第２部分が、前記被覆によって覆われない前記第１層の領域を含むマスク段階を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記被覆が、１０Åから１００μｍの厚さで適用される、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
複数の材料層の選択的ボンディングによるマイクロマシン装置の製造方法であって、
ａ）第１材料層を提供すること、
ｂ）第２材料層を提供すること、
ｃ）前記第１層と前記第２層のうち少なくとも１つの一部分上に被覆を設けること、および
ｄ）マイクロマシン装置を形成するための前記第１層と前記第２層を互いにボンディングすることを含み、前記第２層と前記第１層のボンディングが、前記被覆が両層に接触するところだけに生じるマイクロマシン装置の製造方法
【請求項１４】
前記第２層がその中に形成される複数の機械的部品を有し、前記機械部品が前記第２層の静止部分に対して移動できる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
更に、段階ｃ）の前に、
ｃ’）前記被覆が段階ｃ）で設けられる場合に、前記機械的部品が被覆されずに残るように、前記第２層内に形成される前記機械的部品のマスク段階を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
ｃ）段階の間に、前記第１層の選択された部分だけが被覆され、したがって前記第１層の一部分は被覆されずに残り、更に段階ｄ）前に、
ｄ’）前記第１層の前記被覆されない部分が前記第２層の前記機械的部品に隣接して配置されるように前記第１層と前記第２層を互いに隣接して配置する段階を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
更に、次の段階ｄ）が、
ｅ）第３材料層を提供する段階と、
ｆ）前記第３層の一部分が被覆されずに残るように前記第３層の選択的部分に被覆する段階と、
ｇ）前記第３層の前記被覆されない部分が前記第２層の前記機械的部品に隣接して配置されるように前記第３層および前記第２層を互いに隣接して配置する段階と、
ｈ）前記第３層および前記第２層を互いにボンディングする段階とを含み、前記第２層および前記第３層のボンディングが、ただ、前記被覆が両層に接触するところだけに生じる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
更に、次の段階ａ）が、
ａ１）前記被覆材料が段階ｃ）で前記部分に適用される場合に、前記被覆の上面が、ほぼ前記第１層の隣接上面と同一平面にあるように、そこの厚さを低減するために前記第１層の前記部分を薄くする段階を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記被覆材料が、シリコン、二酸化ケイ素、ガラス、金、銀、およびはんだ材料からなる群より選択される、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
前記被覆が、１０Åから１００μｍの厚さで適用される、請求項１３に記載の方法。
【請求項２１】
マイクロバルブの形成方法であって、
ａ）少なくとも第１層と第２層を含む複数の材料層を提供し、少なくとも前記第１層が、前記第１層の静止部分に対して移動できる可動のマイクロバルブ部分を備えること、
ｂ）前記第２層の一部分を被覆すること、
ｃ）前記第１層の前記可動マイクロバルブ部分に隣接して前記第２層の前記被覆された部分を配置すること、および
ｄ）前記複数の層を合わせてボンディングするボンディング動作を実施することを含み、前記被覆が、前記第１層の前記可動マイクロバルブ部分が前記第２層の前記被覆された部分とボンディングするのを防ぎ、一方前記第２層の被覆されない部分が前記第１層の前記静止部分にボンディングするマイクロバルブ形成方法。
【請求項２２】
前記被覆材料が、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ポリマー・フィルム、フルオロカーボン・フィルムおよびケイ素セラミック材料からなる群より選択される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記被覆材料が窒化ケイ素である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記複数の層が第３材料層を含み、更に、次の段階ｄ）が、
ｅ）前記第３層の一部分上に被覆を設ける段階と、
ｆ）前記第３層を前記第１層にボンディングする段階とを含み、前記第３層上の前記被覆が、前記第１層の前記可動マイクロバルブ部分が前記第３層の前記被覆された部分にボンディングするのを防ぐのに効果的であり、一方前記第３層の被覆されない部分が前記第１層の前記静止位置にボンディングする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
段階ｅ）の間に、前記第３層の一部分だけが被覆され、したがって前記被覆が、前記第１層の前記可動マイクロバルブ部分の前記位置に一致する位置で前記第３層上に設けられ、前記第３層の一部分が被覆されずに残され、更に、段階ｅ）の後に、
ｅ１）前記被覆部分が前記第１層の前記可動マイクロバルブ部分に隣接するように前記第３層を前記第１層に隣接して配置する段階を含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
更に、次の段階ａ）が、
ａ１）前記被覆材料が段階ｂ）で前記部分に適用される場合に、前記被覆の上面が、ほぼ前記第２層の隣接上面と同一平面にあるように、そこの厚さを低減するために前記第２層の第１部分を薄くする段階を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
段階ｄ）では、フュージョン・ボンディング工程が、前記第１層を前記第２層にボンディングするのに用いられる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２８】
段階ｄ）では、直接ボンディング工程が、前記第１層を前記第２層にボンディングするのに用いられる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２９】
更に、段階ｂ）の前に、
ｂ’）前記第２層の第２部分のマスク段階であって、前記第２部分が、前記被覆が段階ｂ）で前記第２層の残りの部分に適用される場合に、前記被覆によって被覆されない前記第２層の領域を含むマスク段階を備える、請求項２１に記載の方法。
【請求項３０】
前記被覆が、１０Åから１００μｍの厚さで適用される、請求項２１に記載の方法。
【請求項３１】
マイクロバルブの形成方法であって、
ａ）少なくとも前記第１層が、前記第１層の静止部分に対して移動できる可動のマイクロバルブ部分を備える、複数の材料層を提供すること、
ｂ）第２層の一部分を被覆すること、
ｃ）前記第１層の前記静止部分に隣接して前記第２層の前記被覆された部分を配置すること、および
ｄ）前記複数の層を合わせてボンディングするボンディング動作を実施することを含み、前記被覆が、前記静止部分を前記第２層の前記被覆された部分にボンディングさせ、一方前記第２層の被覆されない部分が、前記第１層の前記可動マイクロバルブ部分にボンディングしないマイクロバルブ形成方法。
【請求項３２】
マイクロマシン装置の形成方法であって、
ａ）第１シリコン層を提供すること、
ｂ）第２シリコン層を提供すること、
ｃ）摺動部分が、層部分に対して移動できるような前記摺動部分と前記層部分とを含むマイクロマシン装置の一部分を形成するために、前記第２シリコン層の一部分をエッチングすること、
ｄ）前記摺動部分の寸法および形状に一致する寸法および形状を有して、前記第１シリコン層の一部分を被覆材料で被覆すること、
ｅ）前記第１シリコン層の前記被覆された部分が、ほぼ前記第２シリコン層の前記摺動部分に位置合わせされるように、前記第１シリコン層を前記第２シリコン層上に配置すること、および
ｆ）前記第１シリコン層を前記第２シリコン層に接着するためにボンディング動作を実施することを含み、
前記被覆材料が、前記ボンディング動作の間に前記摺動部分を前記第１シリコン層から分離して前記摺動部分が前記第１層にボンディングするのを防止するマイクロマシン装置の形成方法。
【請求項３３】
マイクロマシン装置の形成方法であって、
ａ）第１シリコン層を提供すること、
ｂ）第２シリコン層を提供すること、
ｃ）層部分に対して移動できる摺動部分と前記層部分とを含むマイクロマシン装置の一部分を形成するために、前記第２シリコン層の一部分をエッチングすること、
ｄ）被覆材料で前記第１シリコン層の一部を被覆し、ボンディングが望まれる領域内に前記被覆が配置され、前記被覆材料が、前記摺動部分上の領域が被覆されるのを防ぐように選択的にマスクされたものと、後続の段階で、前記摺動部分の上の領域から取り除かれるもののうち少なくとも１つであること、
ｅ）前記第１層の被覆されない部分が、ほぼ前記第２シリコン層の前記摺動部分に位置合わせされるように前記第２シリコン層の上に前記第１シリコン層を配置すること、および
ｆ）前記被覆が置かれている領域内だけで前記第１シリコン層を前記第２シリコン層にボンディングするボンディング動作を実施することを含み、前記被覆されない領域が、前記ボンディング動作の間に前記摺動部分を前記第１シリコン層から分離して前記摺動部分が、前記第１層にボンディングするのを防止するマイクロマシン装置の形成方法。
【請求項３４】
前記被覆材料が、シリコン、二酸化ケイ素、ガラス、金、銀、およびはんだ材料からなる群より選択される、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記被覆が、１０Åから１００μｍの厚さで適用される、請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
マイクロマシン装置を形成する複数の材料層の選択ボンディング方法であって、
ａ）第１材料層を提供すること、
ｂ）第２材料層を提供すること、
ｃ）前記第１材料層の一部に被覆を設けること、
ｄ）層部分に対して移動でき、かつ前記被覆部分の寸法および形状にほぼ一致する、前記第１層内の摺動部分と前記層部分とを含むマイクロマシン装置の一部分を形成するために前記第１材料層をエッチングすること、および
ｅ）前記第１層と前記第２層を互いにボンディングすることを含み、前記被覆が、前記被覆部分が前記第２層にボンディングするのを防ぐのに効果的である選択ボンディング方法。
【請求項３７】
前記被覆材料が、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ポリマー・フィルム、フルオロカーボン・フィルムおよびケイ素セラミック材料からなる群より選択される、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記被覆が、１０Åから１００μｍの厚さで適用される、請求項３６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、制御バルブおよび半導体エレクトロメカニカル装置に関し、詳しくは、マイクロマシン制御バルブの形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）は、マイクロメートル範囲のサイズを持つ特徴（ｆｅａｔｕｒｅ）を有する物理的に小さいある種のシステムである。これらのシステムは、電気的および機械的な両方の構成要素（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を有している。用語「ミクロ機械加工」（ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ）は、一般にＭＥＭＳ装置の３次元構造および可動部品の生産を意味すると理解される。ＭＥＭＳは、そもそも修正した集積回路（コンピュータ・チップ）［ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ  ｃｈｉｐ）］作製技術（化学エッチングなど）と材料（シリコン半導体材料など）をこれらの微小なメカニカル装置のミクロ機械加工に用いた。今では、更に多くの利用可能なミクロ機械加工技術と材料がある。本明細書の中で用いられている用語「マイクロバルブ」（ｍｉｃｒｏｖａｌｖｅ）は、マイクロメートル範囲のサイズを持つ特徴を有し、したがって定義により少なくとも部分的にミクロ機械加工によって形成されているバルブを意味する。本明細書で用いられる用語「マイクロバルブ装置」は、マイクロバルブを含み、かつ他の構成要素も含むことができるデバイスを意味する。マイクロバルブ装置中にマイクロバルブ以外の構成要素が含まれる場合に、これら他の構成要素は、ミクロ機械加工による構成要素か、標準の大きさの（より大きい）構成要素であってよいことに留意されたい。
【０００３】
種々のマイクロバルブ装置が、流体回路内の流量制御用に提案されてきた。一般にマイクロバルブ装置は、閉位置と全開位置の間の動きのために本体によって可動に支持され、動作可能にアクチュエータに結合される変位可能な部材またはバルブを備える。閉の位置にある場合、バルブは、第２流体ポートと連絡する流体内に置かれている第１流体ポートを遮断つまり閉鎖し、したがってこれら流体ポートの間を流体が自由に流れるのを妨げる。バルブが、閉位置から全開位置に動くと、流体がこれら流体ポート間をだんだん流れるようになる。開示が参照により全体として本明細書に組み込まれる、Ｍａｌｕｆ等の米国特許第６，７６１，４２０号として発行されている米国特許出願公開２００３／００９８６１２Ａ１号は、第１、第２、および第３層を有するマイクロバルブ装置を開示している。第２層は、第１と第３層の間にボンディングされ、変位可能な部材（バルブ）をそこに有するこれらの層の間に空洞を形成する。開示が参照により全体として本明細書に組み込まれる、「Ｐｉｌｏｔ  Ｏｐｅｒａｔｅｄ  Ｍｉｃｒｏｖａ  ｌｖｅ  Ｄｅｖｉｃｅ」という名称の米国特許第６，５４０，２０３号は、電気的に操作されるパイロット・マイクロバルブとその位置がパイロット・マイクロバルブによって制御されるパイロット操作されるマイクロバルブとからなるマイクロバルブ装置について説明している。開示が参照により全体として本明細書に組み込まれる、「Ｍｉｃｒｏｖａｌｖｅ  ｆｏｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ」という名称の米国特許第６，４９４，８０４号は、流体回路内の流量を制御するマイクロバルブ装置について説明しており、分圧回路を形成する開口を介した流出路の使用を含んでいる。
【０００４】
変位部材を動かすのに足る力の生成に加えて、アクチュエータは、変位部材（ｄｉｓｐｌａｃｅｄ  ｍｅｍｂｅｒ）の意図する変位を妨げる変位可能部材（ｄｉｓｐｌａｃｅａｂｌｅ  ｍｅｍｂｅｒ）に働く流体流力（ｆｌｕｉｄ  ｆｌｏｗ  ｆｏｒｃｅ）に打ち勝つことのできる力を生成しなければならない。一般に、これらの流体流力は、流体ポートを通る流速が増加するにつれて増加する。
【０００５】
マイクロバルブの作製の一方法は、シリコン・フュージョン・ボンディング（ｓｉｌｉｃｏｎ  ｆｕｓｉｏｎ  ｂｏｎｄｉｎｇ）などのフュージョン・ボンディングおよびディープ・リアクティブ・イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）（ｄｅｅｐ  ｒｅａｃｔｉｖｅ  ｉｏｎ  ｅｔｃｈｉｎｇ）を含む。ウェハ・ボンディングは、１つのシリコン層をもう１つの層に接着して単一の機械的構造を形成することを可能にする。ウェハ・ボンディング工程の一種、フュージョン・ボンディングは、分子レベルで行われることが実証されており、非常に高い機械的強度をもたらす。フュージョン・ボンディング技法はよく知られている。例えば、開示が参照により全体として特に本明細書に組み込まれる、Ｋ．Ｅ．Ｐｅｔｅｒｓｅｎ、Ｄ．Ｇｅｅ、Ｆ．Ｐｏｕｒａｈｒｎａｄｉ、Ｊ．ＢｒｏｗｎおよびＬ．Ｃｈｒｉｓｔｅｌの「Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  ｗｉｔｈ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｆｕｓｉｏｎ  Ｂｏｎｄｉｎｇ」という名称の、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ  ９１、１９９２年６月、３９７〜３９９頁を参照されたい。陽極ボンディング、はんだボンディング、接着ボンディングを含む他の例の種類のウェハ・ボンディングが、やはりこの文献の中に説明されている選択的ボンディング工程に適用できる。
発明の要約
【０００６】
様々なマイクロバルブ形成方法が、過去に使用されてきたが、マイクロバルブ装置製造のコストを削減し、製造し易さを増す改善された方法を工夫することは有益である。
【０００７】
本発明は、複数の層を選択的にボンディングする方法に関する。その方法は、第１層および第２層を提供することを含む。第１層と第２層のうち少なくとも１つの一部分が被覆材料で被覆される。次いで、第１層と第２層が互いにボンディングされる。被覆された部分と被覆されない部分が互いに隣接して置かれる場合、被覆は、被覆された部分が他の層の被覆されない対向部分にボンディングするのを防止する。
【０００８】
その方法は、第１シリコン層および第２シリコン層の提供も含むことができる。第２シリコン層の一部分は、エッチングされて摺動部分と層部分を形成する。摺動部分は層部分に対して移動できる。第１シリコン層の一部分は、被覆材料で被覆される。被覆された部分は、摺動部分の寸法および形状に一致する寸法および形状を有する。第１シリコン層の被覆された部分が、ほぼ第２シリコン層の摺動部分に位置合わせされるように第１シリコン層が、第２シリコン層の上に置かれる。最終的に、ボンディング動作が、実施されて第１シリコン層を第２シリコン層にボンディングする。ボンディング動作の間、第２シリコン層の層部分は、第１シリコン部分にボンディングし、一方、被覆材料は、摺動部分を第１シリコン層から分離して摺動部分が、第１層とボンディングするのを防止する。
【０００９】
添付の図面に照らして読み取ると、本発明の様々な目的と利点が以下の詳細な説明から当業者に明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
当技術分野では、様々な種類のマイクロマシン装置が知られている。これらの装置の多くは複数の一緒にボンディングされている層を有して形成されている。次に図を参照すると、本発明に従って形成し得、全般的に１０で表示されているマイクロバルブの分解図が図１に図示されている。マイクロバルブ１０は、大まかに、３つの層または基板、第１層１２、第２層１４および第３層１６を備える。第１層１２は、入口ポート２０および出口ポート２２を画定する。第２層１４は、第１層１２と第３層１６の間に確保され、入口ポート２０と出口ポート２２の間の流体流を可能にする流路面積を含む空洞２４を画定する。更に、第２層１４は、入口ポート２０を開閉するために熱アクチュエータ２８、３０に応答して変位可能である変位可能部材２６を画定する。図示された実施形態では、変位可能部材２６は、細長くなっている。アクチュエータ２８、３０の電気的温度加熱用の電気接点３２ａ、３２ｂ、３４ａおよび３４ｂが、それぞれ第３層すなわちキャップ層１６を貫くビア内に設けられる。
【００１１】
電流などの入力が電気接点３２ａ〜ｂ、３４ａ〜ｂを介して各アクチュエータ２８、３０に印加されると、各アクチュエータ２８、３０は、それぞれ矢印Ｄ２８およびＤ３０によって示された方向に力を加える。矢印Ｄ２８およびＤ３０によって示された方向の力により、変位可能部材２６が矢印Ｄ２６によって示された方向に変位させられ、したがって変位可能部材２６の少なくとも一部分は入口ポート２０に対して垂直方向に位置合わせされるようになる。したがって電流は、アクチュエータ２８、３０を作動させる入力刺激として働く。入口ポート２０に対して変位可能部材２６が少なくとも部分的に垂直方向に位置合わせされると、少なくとも部分的に入口ポート２０が閉鎖される。変位可能部材２６の変位または位置合わせの分量は、例えば入口ポート２０から出口ポート２２へマイクロバルブ１０を通る流体流の速度を制御するように選択することができる。アクチュエータ２８、３０に入力が印加されなくなると、アクチュエータ２８、３０は、それぞれ矢印Ｄ２８およびＤ３０によって示されたものと反対の方向に力を及ぼし、矢印Ｄ２６によって示されたものと反対方向に変位可能部材２６を変位させることによって変位可能部材２６を入口ポート２０に対して常時開の位置（ｎｏｒｍａｌｌｙ  ｏｐｅｎ  ｐｏｓｉｔｉｏｎ）に戻す。
【００１２】
別法として、変位可能部材２６が入口ポート２０に対して常時閉位置（ｎｏｒｍａｌｌｙ  ｃｌｏｓｅｄ  ｐｏｓｉｔｉｏｎ）にあり、入口ポート２０を開けるのに変位可能であるように、マイクロバルブ１０が構成されてよい。別の代替の実施形態では、変位可能部材２６が、出口ポート２２に対して常時開または常時閉位置にあり、出口ポート２２を閉じる、または開くのに変位可能であるように、マイクロバルブ１０が構成されてよい。
【００１３】
好ましくは、各第１、第２および第３層１２、１４、１６は、シリコンまたは半導体材料で作製される。別法として、第１および／または第３層１２、１６が、ガラス（Ｐｙｒｅｘ）、非導電セラミック（ｎｏｎｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ｃｅｒａｍｉｃ）または任意の他の非導電材料で作製されてよい。好ましくは、第２層１４は、強度があり、可撓性で、かつ性能劣化に対しより耐性を有するのでドープ単結晶半導体（ＳＣＳ）であるが、任意の導電材料で作製されてもよい。
【００１４】
一般に本明細書ではマイクロバルブ１０は、入口ポート２０を開閉するものとして説明されているが、そのような説明は、単に例示のためのものにすぎず、明らかに、マイクロバルブ１０は、出口ポート２２を開く、または閉じるように容易に適合させることができる。更に、マイクロバルブ１０が、本明細書では、常時開（Ｎ．Ｏ．）バルブとして説明されているが、マイクロバルブ１０は常時閉（Ｎ．Ｃ．）バルブであるように容易に適合させることができる。加えて、本明細書の説明を分かり易く簡潔にするために、一般にアクチュエータ２８とそれに対応する電気接点３２ａ〜ｂだけが説明されることになるが、説明は同じようにアクチュエータ３０と電気接点３４ａ〜ｂにも適用できる。
【００１５】
図１では、第１層１２内だけにくぼみ１８が見られるが、第１および第３層１２、１６が、浅いくぼみ（ｒｅｃｅｓｓ）１８を画定する。くぼみ１８は、第２層１４の変位可能部材２６およびアクチュエータ２８、３０に位置合わせされた領域内に画定され、第１層と第３層１２、１６の間で変位可能部材２６およびアクチュエータ２８、３０を吊下げるための、また第２層１４の面内で、空洞２４内でそれらが変位するためのクリアランスを提供する。更に、空洞２４を通る流体流を流れ易くするように、くぼみ１８は、やはり空洞２４と位置合わせされた領域内に画定されてよい。代替的または追加的に、第２層１４の変位可能部材２６およびアクチュエータ２８、３０は、第１および第３層１２、１６より凹ませる、つまり薄くし、それらとの間にクリアランス（ｃｌｅａｒａｎｃｅ）をもたらすことができる。加えて、変位可能部材２６が入口ポート２０の上に位置合わせされて流体流をせき止める場合、変位可能部材２６と入口ポート２０の間の間隔（ｄｉｓｔａｎｃｅ）を縮めることによって流体漏れを最小にするために、くぼみ１８および凹みは、変位可能部材２６と各第１および第３層１２、１６の間の入口２０近傍の領域内に約０．５μｍのクリアランスを設けることがある。更に、くぼみ１８および凹みは、流体または気体圧力差（ｆｌｕｉｄ  ｏｒ  ｇａｓ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）を最小にするためにアクチュエータ２８、３０と各第１および第３層１２、１６の間の領域などの他の領域内で約１μｍ以下のクリアランスを設けることがある。
【００１６】
電気接点３２ａ〜ｂが、第３層１６内に提供され熱アクチュエータ２８に縦方向に位置合わせされる。電気接点３２ａ〜ｂは、ビアを通してアクチュエータ２８に電流を印加する電気接触を提供する。リブ４８が、接点３２ａ〜ｂの間の第２層１４を通る導電路として働く。電気接点３２ａ〜ｂは、好ましくはリブ４８によって形成される導電流路（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ  ｐａｔｈ）以外は絶縁されている第２層１４の領域と電気接触している。そのような電気的絶縁（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）は、第２層１４内に、電気接点３２ａ〜ｂの間の短絡を防ぐトレンチ３６を設けることによって確保されてよい。
【００１７】
変位可能部材２６は、熱アクチュエータ２８、３０と接触して第１アクチュエータ端部４０と、入口ポート２０開閉用に配置され、成形された第２ストッパー端部４２とを有する。変位可能部材２６は、第１アクチュエータ端部４０からストッパー端部４２の方に断面積が増加する。第２ストッパー端部４２でより大きな断面積が、変位可能部材２６の能力を最大化して、流体差圧に耐える。リブ４８を通る電流印加が、リブに熱的膨張を引き起こし、それが、ひいては軸４４に変位可能部材２６上で、矢印Ｄ２８によって示された方向に力を及ぼす。
【００１８】
マイクロバルブ１０の動作は、やはり、その開示が参照により全体として本明細書に組み込まれるＨｕｎｎｉｃｕｔｔの米国特許第６，６３７，７２２号および国際特許出願公開ＷＯ０１／７１２２６号に説明されている駆動機構と実質的に類似である。マイクロバルブ１０の構成要素および全般的な動作が、マイクロバルブの例示のための唯一の実施形態として上述されてきた。しかし、マイクロバルブは、マイクロバルブ１０の所望の応用によって決まる任意の望ましく、かつ適した構造または設定を有することができる。本明細書で説明されたマイクロバルブ１０に代わって用途によってはふさわしいと思われるマイクロバルブの追加の詳細な構造や動作が、前述の参照によって組み込まれた参考文献中に見出されてよい。
【００１９】
図１に１つ示されたような、複数の層から形成されるマイクロバルブの作製は、シリコン・フュージョン・ボンディングなどのフュージョン・ボンディングおよび深堀り反応性イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）によって達成されてよい。フュージョン・ボンディングは、１つのシリコン層を別の層にボンディングして単一の機械構造を形成可能にする。フュージョン・ボンディングは、分子レベルで行われることが実証されており、非常に高い機械的強度を提供する。フュージョン・ボンディング技法はよく知られている。例えば、参照により全体として本明細書に特に組み込まれる、Ｋ．Ｅ．Ｐｅｔｅｒｓｅｎ、Ｄ．Ｇｅｅ、Ｆ．Ｐｏｕｒａｈｍａｄｉ、Ｊ．ＢｒｏｗｎおよびＬ．Ｃｈｒｉｓｔｅｌの「Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  ｗｉｔｈ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｆｕｓｉｏｎ  Ｂｏｎｄｉｎｇ」という名称の、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ  ９１、１９９２年６月、３９７〜３９９頁を参照されたい。
【００２０】
本発明の好ましい実施形態によるマイクロストラクチャ作製工程が、図２Ａ〜２Ｆを参照して説明される。本実施形態は、３つのシリコン層またはウェハ（例えば、１２’、１４’および１６’）を使用する。３つのシリコン層を用いて、工程は、第２層１４’に相当する第２層の集積部分として前述された単結晶シリコン構造（ＳＣＳ）マイクロストラクチャの形成ということになる。第１および第３層１２’、１６’は、第２層１４’の支持体として働く。別法として、支持体は、例えば、ガラス（Ｐｙｒｅｘ）または、限定しないが任意の適した結晶、金属またはセラミック材料を含む、任意の他の適した材料で形成されてよい。以下の説明は、３層１２’、１４’、１６’だけに言及するが、当然、原理は２層以上の積層を含むマイクロストラクチャの形成に適用し得ると理解されるであろう。
【００２１】
図２Ａでは、第１層１２’がフォトレジストでパターン化されて層内に形成されるべきくぼみ領域１００を画定し、かつ、くぼみ領域１００が、例えばプラズマ・エッチング、ＫＯＨまたは他のシリコン・エッチング液での湿式エッチング、あるいは示差的な酸化膜成長などの、標準的な半導体技法を用いて形成される。くぼみ領域１００は、どれか任意の外形を有することができ、更に例えば０．１μｍ未満から、１００μｍより厚い、任意の所望の深さを有してよい。この実施形態では、くぼみ領域１００は約１μｍの深さを有する。
【００２２】
くぼみ領域１００は単一の一様な深さを有する必要がないことを理解されたい。例えば、種々の標準的シリコン・エッチング段階が利用されて、別個の機械的機能用に使用可能である様々な異なる深さを生成し得る。別法として、または追加的に、第２層１４’が、第１層１２’および第３層１６’よりくぼみをつけられ前述されたように、それらとの間にクリアランスを与えることも理解されたい。更に、各第１層表面１２’ａおよび第３層表面１６’ａは、ベア・シリコンであっても酸化物層で被覆されてもよい。くぼみ領域１００の基部１０２は、ベア・シリコン、酸化シリコン、ドープ・シリコンのいずれであっても、後続の層ボンディングおよび処理温度に耐えることができる任意の他の薄膜で被覆されてもよい。
【００２３】
図２Ｂに示されているように、次いで入口ポート１０４が、第１層１２’を貫通してエッチングされる。図示されていないが、出口ポートが、同時に第１層１２’を貫通してエッチングされてよい。代替的または追加的に出口ポートが、同時に第３層１６’を貫通してエッチングされてもよい。
【００２４】
図２Ｃでは、第１層１２’のパターン表面が、シリコン・フュージョン・ボンディング（つまり直接ボンディング）工程によって、好ましくはドープされた第２層１４’にボンディングされる。フュージョン・ボンディング技法はよく知られている。例えば、開示が参照により全体として本明細書に組み込まれる、Ｋ．Ｅ．Ｐｅｔｅｒｓｅｎ、Ｄ．Ｇｅｅ、Ｆ．Ｐｏｕｒａｈｍａｄｉ、Ｒ．Ｃｒａｄｄｏｃｋ，Ｊ．ＢｒｏｗｎおよびＬ．Ｃｈｒｉｓｔｅｌの「Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  ｗｉｔｈ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｆｕｓｉｏｎ  Ｂｏｎｄｉｎｇ」という名称の、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ  ９１、１９９２年６月、３９７〜３９９頁を参照されたい。好ましいフュージョン・ボンディング技法では、第１層１２’および第２層１４’は親水性にされる。すなわち層１２’、１４’は、熱硝酸または熱硫酸および過酸化水素水溶液または他の強い酸化剤などの化学薬品で処理され、それによって水をそれらの層に付着させる。乾燥の後、次いで２つの層１２’、１４’は、約１時間、４００℃〜１２００℃の温度の酸化雰囲気中で調整（ｐａｃｅｄ）される。
【００２５】
上述されたシリコン・フュージョン・ボンディング技法は、単結晶シリコン層と異なる熱膨張係数を有することがある中間の接着材料を使用せずに、第１層１２’と第２層１４’を共にボンディングする。更に、フュージョン・ボンディングは、層１２’、１４’の一方または両方のボンディングされる表面に酸化物または窒化物層が形成されて実施されてよい。
【００２６】
フュージョン・ボンディングに代わって、例えば第１および第２層１２’、１４’が、フォトレジストなどの粘着剤で共に接着されてもよい。代替として、第１および第２層１２’、１４’は、金などの金属層で被覆された主面を有し、その層を互いに合金化するのに用いることもできる。ガラス支持体が、第１シリコン層１２’の代わりに使用される場合には、第２層１４’はそのようなガラス支持体に陽極（結合）されてよい。
【００２７】
もし必要なら、第２層１４’は、特定の応用によって必要とされる厚さに薄くされ、研磨されてよい。別法として、電気機械的エッチング（ＥＣＥ）が層を薄くするために使用されてよい。拡散される発熱体が、拡散によって第２層１４’の平面内へ組み込まれることがある。更に、任意の必要な回路または他の薄膜堆積とパターン化が、標準のシリコン加工技術を用いて実施されてよい。
【００２８】
次いで、第２層は、エッチングされるべき層の領域を画定する、深堀り反応性イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）段階のためにパターン化される。ＤＲＩＥ技法は、ますます、よく知られるようになってきている。例えば、以下Ａ．Ａ．Ａｙｏｎ、Ｃ．Ｃ．Ｌｉｎ、Ｒ．Ａ．ＢｒａｆｆおよびＭ．Ａ．Ｓｃｈｍｉｄｔの「Ｅｔｃｈｉｎｇ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ｐｒｏｆｉｌｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｉｎ  ａ  Ｔｉｍｅ−Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ  ＩＣＰ  Ｅｔｃｈｅｒ」という名称のＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ、Ｈｉｌｔｏｎ  Ｈｅａｄ  Ｉｓｌａｎｄ、ＳＣ、１９９８年、６月、４１〜４４頁、Ｖ．Ａ．Ｙｕｎｋｉｎ、Ｄ．ＦｉｓｃｈｅｒおよびＥ．Ｖｏｇｅｓの「Ｈｉｇｈｌｙ  Ａｎｏｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ  ｏｆ  Ｄｅｅｐ  Ｔｒｅｎｃｈｅｓ  ｉｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ」という名称のＭｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、Ｖｏｌ．２３、１９９４年、３７３〜３７６頁、Ｃ．Ｌｉｎｄｅｒ、Ｔ．Ｔｓｃｈａｎ、Ｎ．Ｆ．ｄｅ  Ｒｏｏｉｊの「Ｄｅｅｐ  Ｄｒｙ  Ｅｔｃｈｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ  ａｓ  ａ  Ｎｅｗ  ＩＣ  Ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ  Ｔｏｏｌ  ｆｏｒ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ」という名称のＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ  ’９１、１９９１年６月、５２４〜５２７頁、Ｃ．Ｄ．ＦｕｎｇおよびＪ．Ｒ．Ｌｉｎｋｏｗｓｋｉの「Ｄｅｅｐ  Ｅｔｃｈｉｎｇ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｕｓｉｎｇ  Ｐｌａｓｍａ」という名称のＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ｏｎ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ  ａｎｄ  Ｍｉｃｒｏｐａｃｋａｇｉｎｇ  ｏｆ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ、１９８４年、１１月７〜８日、１５０〜１６４頁、ならびにＪ．Ｗ．Ｂａｒｔｈａ、Ｊ．Ｇｒｅｅｓｃｈｎｅｒ、Ｍ．ＰｕｅｃｈおよびＰ．Ｍａｑｕｉｎの「Ｌｏｗ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｅｔｃｈｉｎｇ  ｏｆ  Ｓｉ  ｉｎ  Ｈｉｇｈ  Ｄｅｎｓｉｔｙ  Ｐｌａｓｍａ  Ｕｓｉｎｇ  ＳＦ６／Ｏ２」という名称のＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、Ｖｏｌ．２７、１９９５年、４５３〜４５６頁を参照されたい、これら全ての開示が参照により全体として本明細書に組み込まれる。現在では反応性イオン・エッチング装置は、非常に深い（１００μｍより深い）穴やトレンチのエッチングを可能にし、一方高いアスペクト比（エッチングされる領域の深さと幅の比）を維持する。この装置では、３００μｍほどの深さのトレンチに対し少なくともアスペクト比３０：１が可能であることが分かっている。
【００２９】
ＤＲＩＥは、本質的に化学エッチングとイオン打込みの相乗効果を含む。電圧を付加された衝突イオンが、化学的にシリコン表面と反応する。ＤＲＩＥ工程は、有利にシリコン結晶面または結晶方位に関係なく横方向よりも縦方向に（つまり、異方性に）相当速い速度でエッチングする。その結果、全般に１０６で示された、相対的に深いほぼ垂直なトレンチまたはスロットが、単結晶シリコン（ＳＣＳ）第２層１４’内に形成可能である。これらのほぼ垂直なトレンチまたはスロットが、第２層１４’中のどこにでも層１４’内の結晶方位に関係なく形成されてよい。したがって、容量性または静電的な平板などの高いアスペクト比の構造が形成可能であり、円、楕円および螺旋などの任意の外形の構造が形成可能である。
【００３０】
図２Ｄに示されているように、ＤＲＩＥ工程が、第２層を完全に貫通してエッチングするのに使用されて、変位可能部材１０８およびアクチュエータ１０６を画定する。ＤＲＩＥエッチング段階は、機械的に第２層１４’に形成された単結晶シリコン（ＳＣＳ）・マイクロストラクチャを取り外し、したがってそのマイクロストラクチャは、第２層１４’の面に対し、またその面内で自由に動かすことができる。アスペクト比２０：１（高さ／幅））以上の吊下げの平板／梁構造が、以下に説明されるＤＲＩＥ工程を使用して作製されている。
【００３１】
誘導結合プラズマ源は、マスクとしてフォトレジストまたは二酸化シリコンを用いてシリコンをエッチングする。エッチングされるトレンチ１０６の側壁上で原料ガスの重合が、横方向のエッチング速度を落とし、高い異方性を可能にする。エッチング化学物質は、例えば、５０ｍＴｏｒｒでのＳＦ６である。サーフェイス・テクノロジー・システムズ（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）から入手可能な酸素添加ガスおよびフッ素処理ガスは、高いＳｉ／フォトレジスト・エッチング速度比をもたらすのに役立つ。６ミクロンのフォトレジストが、パターン・マスクとして使えることがある。フォトレジスト選択比が約５０：１であり、約６μｍのレジストで深さ３００μｍのエッチングが可能になる。ＲＩＥシステムが、誘導結合プラズマＤＲＩＥを実施するのに使用可能であり、カリフォルニア州レッドウッド市（Ｒｅｄｗｏｏｄ  Ｃｉｔｙ）に事業所のあるサーフェイス・テクノロジー・システムズ（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）またはフロリダ州セント・ピーターバーグ（Ｓｔ．Ｐｅｔｅｒｓｂｕｒｇ，Ｆｌｏｒｉｄａ）にあるユナキス・ユー・エス・エイ・インコーポレイテッド（Ｕｎａｘｉｓ  ＵＳＡ，Ｉｎｃ．）から入手可能である。
【００３２】
ウェハボンディングとＤＲＩＥの組合せは、本発明のマイクロバルブ１０’などの層１２’、１４’および１６’からなる３次元構造の構成を可能にする。例えば、Ｅ．Ｈ．Ｋｌａａｓｓｅｎ、Ｋ．Ｐｅｔｅｒｓｅｎ、Ｊ．Ｍ．Ｎｏｗｏｒｏｌｓｋｉ、Ｊ．Ｌｏｇａｎ、Ｎ．Ｉ．Ｍａｌｕｆ、Ｊ．Ｂｒｏｗｎ、Ｃ．Ｓｔｏｒｍｅｎｔ、Ｗ．ＭｃＣｕｌｌｅｙおよびＧ．Ｔ．Ａ．Ｋｏｖａｃｓの「Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｆｕｓｉｏｎ  Ｂｏｎｄｉｎｇ  ａｎｄ  Ｄｅｅｐ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ；Ａ  Ｎｅｗ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｆｏｒ  Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」という名称のＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ９５、Ｓｔｏｃｋｈｏｌｍ、Ｓｗｅｄｅｎ、１９９５年、５５６〜５５９頁を参照されたい。
【００３３】
図２Ｅでは、第３層１６’のパターン表面１１０が、図２Ｃを参照して前述されたシリコン・フュージョン・ボンディング（つまり直接ボンディング）工程によって第２層１４’にボンディングされる。図示されていないが、ボンディング前に第３層１６’が、層を貫通するコンタクト・ホールつまりビアばかりでなく、第１層１２’と同じように処理されてくぼみ領域１１２、入口ポート１１４および出口ポート１１６も画定可能であることを理解されたい。
【００３４】
図２Ｆに示されたように、アルミニウムなどの電気的に導電性の材料層１２０が、コンタクト・ホールつまりビアの表面１１８、コンタクト・ホールを通して露出された第２層１４’の表面および第３層１６’の平らな外表面の少なくとも一部１６’ｂの上にスパッタリングなどによって堆積される。したがって導電層１２０は、ボンディング・パッドを形成しアクチュエータ１０６と電気的接触できる。任意の必要な回路または他の薄膜堆積ならびにパターン化が、第３層１６’上に標準のシリコン加工技術を用いて実施可能である。
【００３５】
いくつでも変形形態が、容易にこの工程内に組み込み可能である。例えば、第１層、第２層１２’および／または第３層１６’が、シリコンでない他の適切な材料で作製されてよい。マイクロバルブ１０’が３層（例えば、１２’、１４’、１６’）より多い層から形成されても、あるいは任意の他のマイクロメカニカル装置が２つ以上の層から形成されてもよい。更に、浅い空洞が、第１および第３層１２’、１６’内とは別に、または第１および第３層１２’、１６’に加えて第２層１４’に画定可能である。別法として、各層１２’、１４’、１６’が、別々に処理され、次いで位置合わせされたボンディング段階によって組立てられてよい。他の種類のボンディングが、ウェハを共にボンディングするのに使用可能である。明らかなように、当業者は、容易に、そのことでも、また例えば単なる配置変更によって作製工程に多くの他の変更形態もなし得る。
【００３６】
非常に単純化されたマイクロバルブ装置が図３に示されている。図示されたマイクロバルブ組立て品１０”は、第１層１２”および第２層１４”を含む。第３層（図示されていない）が、マイクロバルブ組立て品１０”と共に使用されてよいし、ほぼ第１層１２”と同じであると思われている。前述されたように、ほぼ長方形を有する第１層１２”が、それを貫通して形成される複数の開口を含むことができる。第１層１２”および第３層に一致するほぼ長方形の形状と寸法を有する第２層１４”は、第２層１４”の前面５２および背面に共に形成されるチャネル（図示されていない）ばかりでなく、そこを貫通して形成される少なくとも１つの開口をも含むことができる。ほぼ長方形て、第１層１２”および第２層１４”に一致する寸法を有する第３層が、第２層１４”を貫通して形成される少なくともいくつかの開口の位置に対応する位置に貫通して形成される少なくとも１つの開口をも含むことができる。
【００３７】
多くのマイクロバルブ装置（図１に示されたように）は、１つまたは複数の層１２、１４、１６内に形成された複数のポート２０、２２を利用して、流体源からバルブ１０を介して負荷およびリザーバへ流体連通をもたらす。前述のように多くのバルブが、流体ポート開閉用に第２層本体によって支持される摺動可能なバルブ部分を含むことができる。第２層は、バルブ部分を動かすためのバルブ部分に操作可能に結合されているアクチュエータも含むことができる。マイクロバルブ部分は、バルブ部分によって制御される流体によって配置される。マイクロバルブは、第２層内に形成された空洞内で第１位置と第２位置の間に可動に配置されるスライド・バルブを含むことができる。バルブ配置によって決まって、スライド・バルブを第１位置から第２位置に移動し、主要ポート間で流体流を可変に制限するためにポートを部分的に遮断および開放する。
【００３８】
マイクロバルブの第２層内に形成された可動の構成要素の動きを楽にするために、可動部分は隣接層にボンディングされない。これを実現するために、くぼみ部分を有する隣接層を形成することが知られており、したがってマイクロバルブの可動部分は、可動部分の動き（図１に示されたマイクロバルブ１０に関連して説明されたように）を摩擦によって阻むことがある隣接表面を持たない。別法として、可動の構成要素は、それが一部である層の厚さより薄い厚さを有して形成し、可動部分がマイクロバルブ装置の隣接層に接触しないようにクリアランスを設けることができる。くぼみと、低減された厚さとの部材の任意の組合せを使用し、隣接構成要素との接着と摩擦をともなう嵌合を防ぐという所望の目的を果たすことができることを理解されたい。
【００３９】
開示が参照により全体として本明細書に組み込まれる、国際特許出願公開ＷＯ０１／７１２２６号は、層の領域がくぼみを付けられて、マイクロバルブ装置の様々な層の選択的ボンディング部分を提供可能であることを教示している。更に、マイクロバルブの層のくぼみを付けられた領域に被覆を適用することを教示している。そのようにする理由は、装置の層の間の漏れを防ぐことにある。被覆として使用される材料の組成、あるいは、その材料の特性がどのようなものであるかは開示されていない。それに対し、以下に説明されるように、本発明では、複数層のマイクロバルブの隣接層の部分の間に選択的ボンディングを提供する被覆の使用について説明する。本発明によれば、くぼみを形成し、またはバルブの可動部分の厚さを低減するのに必要とされる追加的段階（図２Ａ〜２Ｆから理解可能であるように）は、省くことが可能であるか、あるいはそれらの必要性は削減可能である。別法として、本発明の工程は、前述された段階と併せて用いられてよい。
【００４０】
層ボンディング工程を実施する場合に、選択的ボンディング工程は、ボンディングしない領域を選択的に生成するのに利用される。好ましい実施形態では、窒化ケイ素（炭化ケイ素、ケイ素セラミック材料、ダイアモンド、フルオロカーボンなどの材料およびＴｅｆｌｏｎなどのポリマーが、その他の可能な被覆材料のいくつかである）などの被覆材料が、６２で全般的に示されて、シリコン層のボンディング表面に選択的に配置される。後続の層ボンディング加工の間に、窒化ケイ素（ＳｉＮ）または他の被覆材料６２で覆われたこれらの領域が、被覆された領域が隣接するシリコン層に接触するところでボンディングしないことになる。シリコンが、シリコン（または二酸化ケイ素）と接触する領域に、ボンディングが生じることになる。したがって、一ボンディング層内でエッチングされ、その他のボンディングされる層に対して並進または回転することを意図される機械部品に相当する被覆材料６２で覆われたボンディング領域は、層ボンディング工程後にボンディングされずに残ることになる。ボンディングされる層内の構造的領域などの他の領域は、好ましくは被覆材料６２で覆われない。したがって、これらの被覆されない領域は、十分にボンディング可能となって、これらの層の間に十分な機械的強度と気密性をもたらす。
【００４１】
選択接着は、ボンディングされるべく選択された領域を被覆し、非ボンディング領域が被覆されずに残る工程を用いて成し遂げることもできる。この工程の方式では、金などの材料がボンディングされるべき領域に被覆として堆積される。次いで、ウェハが金被覆がある場所にだけに形成する結合で共にはんだボンディングされる。別法として、他の被覆層が、ボンディング動作を容易にするのに適用されることがある。例えば、シリコン、二酸化ケイ素、ガラス、金、銀などの金属、およびはんだ材料、およびセラミック材料が、ボンディング工程を促すのに使用されることもある材料である。
【００４２】
図３に示されているように、マイクロマシン装置１０”の第１、第２層１２”、１４”が、図示されている。非常に単純化されたマイクロマシン装置１０”が図示されているが、本発明のその工程は、図１および２に関して大体、前述されたこれらのデバイスなどの任意のレベルの複雑さのマイクロマシン装置に使用可能であることを理解されるであろう。図３では、マイクロマシン装置１０”の第１層１２”が、ほぼ長方形の、ほぼ連続的本体として示されている。第２層１４”は、同様に寸法合わせされ、本体の中央部分が除去されているほぼ長方形の本体として示されている。前述されたように、中央部分は、エッチングなどの任意の適切な工程を用いて除去可能であり、それによってエッチング・スロット５４を生成する。やはり、第２層１４”の本体のエッチング・スロット５４内に形成されるのが、マイクロマシン装置１０”の可動部分５６である。したがって、可動部分５６の端部は、第２層１４”の外側部５８に固く取り付けられないことが好ましい。可動部分５６は、所望なら、米国特許第６，５４０，２０３号に図示されているスプリング１７２と同様のフレキシブルなスプリング部材（図示されていない）によって外側部に弾性的に接続されることがある。前述されたように、可動部分５６に接続されているアクチュエータ分（図示されていない）もそこにあってよい。しかし任意の適切な駆動機構が使用されてよい。可動部分５６は、第２層１４”に固く取り付けられていないので、可動部分５６は、第２層に相対的に、エッチング・スロット５４内で、移動できる。第３層は第１層１２”の本体と同様に形成可能であり、したがって第２層１４”の可動部分５６は、第１層１２”と第３層の間に制限されることになると予期されている。
【００４３】
好ましい実施形態では、第１層１２”の下面上の領域６０が、前述されたように被覆材料６２で被覆される。第３層が、同様に被覆されることがあることも予期されている。選択された領域６０にだけ被覆材料６２を適用するために、任意の適切なマスク方法が用いられてよい。しかし、第２層１４”の可動部分５６が、第２層１４”の可動部分５６と第３層の間のボンディングを防止する別の手段を提供するために、第３層に対してくぼませることがある。同様に、第３層の部分が、ボンディング工程が実施される場合に、第２層１４”の可動部分５６が第３層に接触しないように、くぼませた部分を有することがある。
【００４４】
マイクロマシン装置１０”を形成するために、被覆材料６２が第１層１２”の領域６０に適用された後で、第１層１２”の対応する隅と第２層１４”が重ね合わされる。前述のように、マスク装置が使用されている場合、マスクが、第１層１２”と第２層１４”を重ねる前に取り除かれて（もし必要なら）よい。図３に示されているように、第１層１２”上に示めされた隅Ａと、第２層１４”上に示された隅Ａ’が互いに重ねられる。同様に、第１層上に示された隅Ｂと、第２層１４”上に示された隅Ｂ’が、互いに重ねられる。一度、この重なり方で、層が配置されると、前述されたこれらの１つなどの層ボンディング工程が用いられて第１層１２”と第２層１４”を共にボンディングする。ボンディング工程は、シリコン直接ボンディング工程であることが好ましいが、任意の適切なボンディング工程が用いられてよい。被覆材料６２の存在によって、第２層の可動部分５６は、第１層１２”とボンディングしないことになる。第１層１２”の領域６０が被覆材料６２で覆われているとして示されているが、可動部分５６が、やはり被覆材料６２で覆われていても、または代替的に可動部分５６だけが、そのように覆われていてもよいことを理解されるであろう。
【００４５】
被覆材料６２で覆われた領域６０は、好ましくは、第２層１４”の可動部分５６の寸法および形状にほぼ一致する。寸法および形状でエッチング・スロット５４に一致する第１層１２”上の全領域が、必ずしも被覆材料６２で覆われる必要はない。好ましくは第２層１４”の可動部分５６がボンディング工程の間に単一の位置に維持され、したがって可動部分５６は、ボンディング工程の間、第１層１２”の被覆された部分とだけ接触したままなので、全領域の被覆は必要とされない。ボンディング工程が終わると、ボンディングが生じるのに必要とされる条件のいくつか（例えば、延長された時間、高められた温度など）が、バルブ１０”の動作の間に存在しないことになるので、可動部分５６は、それと共にボンディングしてないエッチング・スロット５４内で移動できることになる。更に、一般に被覆材料６２は、ボンディング工程が終わった後も、被覆された領域６０の表面上に留まることになる。被覆された領域６０上の残留被覆材料６２は、マイクロマシン装置１０”の層の間の漏れ防止にも役立ち得る。
【００４６】
好ましい実施形態では、被覆材料６２は、約１００Åと約１０μｍの間の厚さに適用される。好ましい厚さは、数１００Åから数１０００Åの間であることになる。被覆は、任意の適切な厚さを有して適用されてよいことを理解されるであろう。層の間の被覆の付加的な厚さを調整するために、第２被覆材料（図示されていない）が、被覆材料６２を取り囲む領域に適用されてよい。第２被覆材料はボンディング工程を容易にする働きも、あるいはボンディング工程に何も影響しないことも可能である。別法として、または追加的に、被覆材料６２をそこに適用される領域が、被覆されている層の厚さに比例して薄くされることがあり、したがって被覆材料６２が所望の厚さに適用される場合、被覆材料の表面は、被覆されている層の隣接表面とほぼ同一平面になる。しかし、被覆材料６２は、マイクロマシン装置の全体厚さに影響しない厚さを有し、したがって第２被覆または薄くする段階は、複数の層を合わせてボンディングする前に必要とされないことがあることも理解されたい。
【００４７】
代替的なマイクロバルブ形成方法が、図４Ａ〜Ｄに図示されている。前の図３のように、マイクロマシン装置１０’”のいくつかの層が、図４Ａ〜Ｄに図示されている。非常に単純化されたマイクロマシン装置１０’”が図示されているが、本発明のその工程は、図１および２に関して大体、前述されたこれらのデバイスなどの任意のレベルの複雑さのマイクロマシン装置に使用可能であることを理解されるであろう。この実施形態では、第２層１４’”が提供される。マイクロマシン装置１０’”の第２層１４’”が、ほぼ長方形の、ほぼ連続的本体として示されている。しかし、第２層１４’”の部分のエッチング前に第２層１４’”の選択的領域が、前述された被覆材料６２で覆われる。被覆材料６２を選択された領域７０だけに適用するために、任意の適切なマスク方法が使用されてよい。被覆６２は、第２層１４’”の可動部分６６または部分の所望の形状および寸法に一致する領域７０内の第２層１４’”の上面および下面に（図４Ａ〜Ｄに見られるように）共に適用されるのが好ましい。一度所望の領域７０が被覆されると、第２層１４’”の中央部分（スロット６４）がエッチング可能である。スロット６４を形成するための、第２層１４’”を貫通してエッチングされるべき領域の内部および外部境界が、図４Ａに破線で示されている。これらのエッチングされるべきでない領域が、エッチング工程によって影響されるのを防ぐためにマスクされるか、さもなければ保護されてよい。
【００４８】
前述されたように、第２層１４”’内の中央部は、エッチングなどの適切な工程を用いて除去可能であり、それによってエッチング・スロット６４を生成する。やはり、第２層１４”’の本体のエッチング・スロット６４内に形成されるのは、マイクロマシン装置１０”’の可動部分６６である。したがって、可動部分６６の端部は、第２層１４”’の外側部分６８に固く取り付けられないのが好ましい。可動部分６６は、所望なら米国特許第６，５４０，２０３号に図示されているスプリング１７２と同様のフレキシブルなスプリング部材（図示されていない）によって外側部に弾性的に接続されることがある。前述されたように、可動部分６６に接続されているアクチュエータ分（図示されていない）がそこにあってよい。しかし、任意の適切な駆動機構が使用可能である。可動部分６６は、第２層１４”’に固く接続されていないので、可動部分６６は、第２層に相対的に、エッチング・スロット６４内で、移動できる。
【００４９】
第２層１２”’と第３層１６”’が、前述された任意の層のそれと同様に形成可能であることも予期されている。マイクロマシン装置１０”’形成方法の次の段階は、第１層１２”’と第３層１６”’の間に第２層１４”’の配置を含む。したがって、第２層１４”’の可動部分６６は、第１層１２”’と第３層１６”’の間に制限されることになる。一度、この重なり方で、層が配置されると、前述されたこれらの１つなどの層ボンディング工程が用いられて層１２”’、１４”’、１６”’を合わせてボンディングする。ボンディング工程は、シリコン直接ボンディング工程であることが好ましいが、任意の適切なボンディング工程が使用されてよい。被覆材料６２の存在によって、第２層１４”’の可動部分６６は、第１層１２”’または第３層１６”’とボンディングしないことになる。
【００５０】
被覆材料６２で覆われた領域７０は、好ましくは、第２層１４”’の可動部分６６の寸法および形状にほぼ一致する。寸法および形状でエッチング・スロット６４に一致する第１層１２”’および第３層１６”’上の領域が、必ずしも被覆材料６２で覆われる必要はない。第２層１４”’の可動部分６６は、好ましくはボンディング工程の間、単一の位置に維持され、したがって可動部分６６はボンディング工程の間に、第１層１２”’と第３層１６”’の被覆された部分とだけ接触したままであることになるので、全領域の被覆は必要とされない。ボンディング工程が終わると、ボンディングが生じるのに必要とされる条件のいくつか（例えば、延長された時間、高められた温度など）が、バルブ１０”’の動作の間に存在しないことになるので、可動部分６６は、それと共にボンディングしてないエッチング・スロット６４内で移動できることになる。更に、一般に被覆材料６２は、ボンディング工程が終わった後も、被覆された領域７０の表面上に留まることになる。被覆された領域７０上の残留被覆材料６２は、マイクロマシン装置１０”’の層の間の可動部分６６を通り抜ける漏れ防止にも役立ち得る。
【００５１】
本発明は、一般に、被覆された領域と隣接層との間で、ボンディングを妨げる一層または複数層の領域の被覆として説明されてきたが、本発明はボンディングされるべき領域だけが被覆材料で覆われ、ボンディングされな領域が被覆されずに残される実施形態にも適用可能であることを理解されたい。
【００５２】
図５に示されているのは、全般的に１００で表示された流れ図であって、本発明の一実施形態でのマイクロバルブ形成段階を列記している。前述されたように、第１段階１０１で第１材料層が、与えられる。第２材料層が、第２段階１０２で与えられる。第３段階１０３では、被覆が第１層と第２層のうち少なくとも１つの一部分上に生成される。被覆は、その部分が、その他の第２層および第１層にボンディングするのを防止するのに効果的である。第４段階１０４では、第１および第２層が、互いにボンディングされる。
【００５３】
図６に示されているのは、全般的に２００で表示された流れ図であって、本発明のもう１つの実施形態でのマイクロバルブ形成段階を列記している。第１段階２０１では、第１および第２材料が与えられる。第２段階２０２では、第１層が、ミクロ機械加工され第１層の停止位置に対して移動できる部分を形成する。第３段階２０３では、第２層の一部分が、後続のボンディング動作の間に第１層と第２層の間のボンディングを抑えるのに効果のある材料で被覆される。第４段階２０４では、第２層の被覆された部分が、第１層の可動部分に隣接して配置される。第５段階２０５では、ボンディング動作が実施され複数の層を合わせてボンディングする。
【００５４】
図７に示されているのは、全般的に３００で表示された流れ図であって、本発明の他の実施形態でのマイクロバルブ形成段階を列記している。第１段階３０１では、第１および第２材料層が与えられる。第２段階３０２では、第１層がミクロ機械加工され第１層の静止位置に対して移動できる部分を形成する。第３段階３０３では、第２層の一部分が、後続のボンディング動作の間に第１層と第２層の間のボンディングを促すのに効果のある材料で被覆される。第４段階３０４では、第２層の被覆された部分が、第１層の静止部分に隣接して配置される。第５段階３０５では、ボンディング動作が実施され複数の層を合わせてボンディングする。
【００５５】
図８に示されているのは、全般的に４００で表示された流れ図であって、本発明の他の実施形態でのマイクロバルブ形成段階を列記している。第１段階４０１では、第１部分および第２部分を有する第１シリコン層が与えられる。第２段階４０２では、第２シリコン層が与えられる。第３段階４０３では、第２シリコン層の一部分がエッチングされ、摺動部分と、層部分を形成する。第４段階４０４では、第１シリコン層の第１部分が、第２層の摺動部分の寸法および形状に一致する寸法および形状に被覆材料で被覆される。被覆材料は、後続のボンディング動作の間に摺動部分を第１シリコン層から分離するのに効果的であり、摺動部分が位置合わせされた第１層の第１部分にボンディングするのを防止する。第１層の第２部分は被覆されずに残る。第５段階４０５では、第１層の被覆された部分が第２シリコン層の摺動部分にほぼ位置合わせされるように第１シリコン層が、第２シリコン層の上に配置される。第６段階４０６では、ボンディング動作が実施され第１シリコン層と第２シリコン層をボンディングする。
【００５６】
図９に示されているのは、全般的に５００で表示された流れ図であって、本発明の他の実施形態でのマイクロバルブ形成段階を列記している。第１段階５０１では、第１シリコン層が与えられる。第２段階５０２では、第２シリコン層が与えられる。第３段階５０３では、第２シリコン層の一部分がエッチングされ、摺動部分と、層部分とを形成する。第４段階５０４では、第１シリコン層の一部分が、層の間でボンディングが望まれる領域内について被覆材料で覆われる。任意選択の第５段階５０５では、被覆が、選択的に摺動部分の上の領域から除去される。第６段階５０６では、第１シリコン層の被覆されない部分が、ほぼ第２シリコン層の摺動部分に位置合わせされるように第１シリコン層が、第２シリコン層の上に配置される。第７段階５０７では、ボンディング動作が実施され第１シリコン層と第２シリコン層を、被覆が配置されている領域についてだけボンディングする。
【００５７】
図１０に示されているのは、全般的に６００で表示された流れ図であって、本発明の他の実施形態でのマイクロバルブ形成段階を列記している。第１段階６０１では、第１材料層が与えられる。第２段階６０２では、第２材料層が与えられる。第３段階６０３では、被覆が第１層の一部分の上になされる。その被覆は、後続のボンディング動作の間、第１層の被覆された部分と第２層の間のボンディングを防ぐ効果がある。第４段階６０４では、第１材料層がエッチングされ、第１層内に摺動部分と、層部分を形成する。摺動部分は、層部分に対して移動できる。摺動部分は、やはり被覆された部分の寸法と形状に一致する。第５段階６０５では、第１層と第２層が互いにボンディングされる。
【００５８】
本発明の動作の原理および形態がその好ましい実施形態について説明されてきた。しかし、本発明は、その趣旨から逸脱することなく具体的に図示され、説明されたのとは別のやり方で実施され得るということに留意されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明により作製されるべきマイクロバルブ組立て品の第１、第２および第３層の分解斜視図である。
【図２Ａ】本発明によるマイクロバルブ形成の作製工程の流れを示す図である。
【図２Ｂ】本発明によるマイクロバルブ形成の作製工程の流れを示す図である。
【図２Ｃ】本発明によるマイクロバルブ形成の作製工程の流れを示す図である。
【図２Ｄ】本発明によるマイクロバルブ形成の作製工程の流れを示す図である。
【図２Ｅ】本発明によるマイクロバルブ形成の作製工程の流れを示す図である。
【図２Ｆ】本発明によるマイクロバルブ形成の作製工程の流れを示す図である。
【図３】本発明による被覆された部分および可動部分を有するマイクロバルブの第１層および第２層の分解平面図である。
【図４Ａ】本発明によるマイクロバルブ形成の作製工程の流れを示す図である。
【図４Ｂ】本発明によるマイクロバルブ形成の作製工程の流れを示す図である。
【図４Ｃ】本発明によるマイクロバルブ形成の作製工程の流れを示す図である。
【図４Ｄ】本発明によるマイクロバルブ形成の作製工程の流れを示す図である。
【図５】本発明によるマイクロバルブ形成のための作製工程の代替実施形態の流れ図である。
【図６】本発明によるマイクロバルブ形成のための作製工程の代替実施形態の流れ図である。
【図７】本発明によるマイクロバルブ形成のための作製工程の代替実施形態の流れ図である。
【図８】本発明によるマイクロバルブ形成のための作製工程の代替実施形態の流れ図である。
【図９】本発明によるマイクロバルブ形成のための作製工程の代替実施形態の流れ図である。
【図１０】本発明によるマイクロバルブ形成のための作製工程の代替実施形態の流れ図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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