(57)【要約】  マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）が、基板と、基板の表面の上方の位置に位置する第１の湾曲表面と、基板の表面に平行な第１の軸に沿って第１の湾曲表面の概して反対側にある第２の湾曲表面とを有し、第１の湾曲表面が第１の軸に沿って第２の湾曲表面に向かう方向に移動可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板表面の上方の位置に配置された第１の湾曲表面と、
前記基板の前記表面に平行な第１の軸に沿って前記第１の湾曲表面の概して反対側にある第２の湾曲表面とを備え、前記第１の湾曲表面が前記第１の軸に沿って前記第２の湾曲表面に向かう方向に移動可能である、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）。
【請求項２】
前記第１の湾曲表面が前記表面に概して平行な平面内にある概して凸状の表面である、請求項１に記載のＭＥＭＳ。
【請求項３】
前記第２の湾曲表面が前記表面に概して平行な平面内にある概して凸状の表面である、請求項２に記載のＭＥＭＳ。
【請求項４】
前記第２の湾曲表面が突出部内に位置した、請求項２に記載のＭＥＭＳ。
【請求項５】
前記第１の軸に沿った前記第１の湾曲表面の移動が第１の距離に制限され、
前記概して凸状の表面が前記概して凸状の表面の口から前記概して凸状の表面の頂点までの第２の距離を有し、
前記第１の距離の長さが前記第２の距離の長さより小さい、
請求項４に記載のＭＥＭＳ。
【請求項６】
前記基板の前記表面の上方の位置に配置された第３の湾曲表面と、
前記基板の前記表面に平行でありかつ前記第１の軸に対して垂直である第２の軸に沿って前記第３の湾曲表面の概して反対側にある第４の湾曲表面とをさらに備え、前記第３の湾曲表面が前記第２の軸に沿って前記第４の湾曲表面に向かう方向に移動可能である、請求項１に記載のＭＥＭＳ。
【請求項７】
前記基板の前記表面の上方の位置に配置された第５の湾曲表面と、
前記第１の軸に沿って前記第５の湾曲表面の概して反対側にある第６の湾曲表面とをさらに備え、前記第５の湾曲が前記第１の軸に沿って前記第６の湾曲表面に向かう方向に移動可能である、請求項６に記載のＭＥＭＳ。
【請求項８】
基板と、
前記基板の表面の上方の位置にあるプルーフマスであって、前記プルーフマスの第１の側に配置された第１の湾曲表面を有する、プルーフマスと、
前記第１の湾曲表面の概して反対側にある第２の湾曲表面を有する移動止めとを備え、前記第１の湾曲表面が前記第２の湾曲表面に向かう方向に移動可能である、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）のための加速度計。
【請求項９】
前記第１の湾曲表面および前記第２の湾曲表面のうちの少なくとも１つが前記表面に概して平行な平面内にある概して凸状の表面である、請求項８に記載の加速度計。
【請求項１０】
前記第２の湾曲表面が前記表面に概して平行な平面内にある概して凸状の表面である、請求項９に記載の加速度計。
【請求項１１】
前記第２の湾曲表面が突出部内に配置された、請求項９に記載の加速度計。
【請求項１２】
前記プルーフマスが、中でプルーフマスが移動することが可能である、前記基板の前記表面に平行な第１の軸に沿ったスパンを有し、
前記第２の湾曲表面が前記第１の軸に沿って前記第１の湾曲表面の概して反対側に配置され、
前記第１の湾曲表面の少なくとも一部分が前記スパンを通して前記第２の湾曲表面の口内に配置された、
請求項９に記載の加速度計。
【請求項１３】
第３の湾曲表面を有する前記プルーフマスの第２の側と、
前記第３の湾曲表面の概して反対側にある第４の湾曲表面を有する第２の移動止めとをさらに備え、前記プルーフマスが前記第２の軸に沿って前記第４の湾曲表面に向かう方向に移動可能である、請求項８に記載の加速度計。
【請求項１４】
前記第１の側が前記第２の側に隣接する、請求項１３に記載の加速度計。
【請求項１５】
基板を形成するステップと、
プルーフマスであって、前記基板の表面の上方の位置にある前記プルーフマスの第１の側にある第１の湾曲表面を有する、プルーフマスを形成するステップと、
前記第１の湾曲表面の概して反対側にある第２の湾曲表面を有する、前記基板を基準とした位置に固定された第１の移動止めを形成するステップとを含み、前記プルーフマスが前記第１の移動止めに向かう方向に移動可能である、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）のための加速度計を形成する方法。
【請求項１６】
プルーフマスを形成するステップは、
第１の曲率半径を有する概して凸状の表面を有するように前記第１の湾曲表面を形成するステップ
を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
第１の移動止めを形成するステップは、
第２の曲率半径を有する概して凸状の表面を有するように前記第２の湾曲表面を形成するステップを含み、前記第１の曲率半径が前記第２の曲率半径より小さい、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
第１の移動止めを形成するステップが、
前記第１の湾曲表面に対向する壁上に突出部を形成するステップと、
前記突出部内に前記第２の湾曲表面を形成するステップと、
をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記プルーフマスの第２の側に第３の湾曲表面を形成するステップと、
前記第３の表面の概して反対側にある第４の湾曲表面を有し、前記基板を基準とした位置に固定された第２の移動止めを形成するステップと、
をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の側が前記第２の側に隣接する、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本出願は２０１１年１１月９日に出願された米国仮特許出願第６１／５５７，７６７号の優先権を主張するものであり、その全内容が参照により本明細書に組み込まれる。本開示は半導体デバイスに関し、より詳細には、センサを組み込む半導体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]本明細書では「ＭＥＭＳ」または「ＭＥＭＳデバイス」と称されるマイクロ電気機械システムは、微細加工技術を使用して同じシリコン基板上に電気部品および機械部品を統合する。電気部品は集積回路プロセスを使用して製作され、機械部品は、集積回路プロセスと適合され得るマイクロ機械加工プロセスを使用して製作される。この組み合わせは、標準的な製作プロセスを使用してシリコン基板上で電気機械システム全体を製作することを可能にする。
【０００３】
[0003]ＭＥＭＳデバイスの１つの一般的な用途はセンサの設計および製造である。これらのセンサは、ＭＥＭＳデバイスによって示される感度、空間的分解能および時間分解能、ならびに、低い所要電力を理由として、種々の用途で効果的な解決策であることが分かっている。したがって、慣性センサ、ジャイロスコープおよび圧力センサなどのＭＥＭＳセンサが多様な用途で使用されるために開発されている。
【０００４】
[0004]ＭＥＭＳ慣性センサは静的加速度および動的加速度の両方を測定するのに有用である。具体的には、ＭＥＭＳ慣性センサはデバイスの向きおよび位置を感知するのに使用され得る。ある種のＭＥＭＳ慣性センサは、ばねにより基板アンカー（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  ａｎｃｈｏｒ）の上方で支持されるプルーフマスを備える。基板アンカーが空洞を画定し、プルーフマスがその中に移動可能に配置される。ばねがプルーフマスを空洞内のニュートラル位置に位置決めする。基板アンカーが加速すると、プルーフマスが基板アンカーを基準としてニュートラル位置から移動するが、空洞内に留まる。各要因の中でもとりわけ、ばねのばね定数が、基板アンカーの加速度に反応してプルーフマスによって示される移動量を決定する。空洞内でのプルーフマスの移動のスパンは変位範囲と称される。導線が基板アンカーおよびプルーフマスに接続され得る。基板アンカーの加速度は、基板アンカーとプルーフマスとの間の静電容量を測定することによって感知され得る。
【０００５】
[0005]一部の既知のＭＥＭＳ慣性センサは、空洞内でプルーフマスの変位範囲を制限して画定するための１つまたは複数の位置決め形状構成を組み込む。センサが閾値の力を超える力を受けると、プルーフマスが最大変位位置まで移動する可能性がある。プルーフマスが最大変位位置まで移動した後でも、位置決め形状構成により、プルーフマスが空洞内で適切に位置決めされる。さらに、位置決め形状構成は、故障、破損、または別の形でばねを損傷するような位置までプルーフマスが移動するのを防止する。
【０００６】
[0006]これまで、位置決め形状構成は、基板アンカー上にある平坦表面およびプルーフマス上にある対応する平坦表面を用いて実装されていた。プルーフマスが最大変位の位置まで移動すると、これらの平坦な表面が互いに接触する。平坦表面を有する位置決め形状構成はプルーフマスの最大変位を効果的に制限および画定するが、平坦な表面が接触することにより静止摩擦が発生する可能性がある。
【０００７】
[0007]本明細書で使用される「静止摩擦」という用語は、第２の物体に物理的に接触する第１の物体を移動させるときに打ち勝たなければならない力を意味する。一般に、静止摩擦は第１の物体と第２の物体との間の接触表面積に関連して増大する。平坦な接触表面を備える位置決め形状構成を有するＭＥＭＳに適用される場合、静止摩擦は、落下試験などの大きい外部の物理的衝撃およびばね質量の共振振動の励起（ｓｐｒｉｎｇ−ｍａｓｓ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）などの結果として発生する可能性がある。Ｇ．Ｊ．Ｏ’Ｂｒｉａｎ，Ｄ．Ｊ．Ｍｏｎｋ，ａｎｄ  Ｌ．Ｌｉｎ，“Ａ  Ｓｔｉｃｔｉｏｎ  Ｓｔｕｄｙ  Ｖｉａ  Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ−Ｖｏｌｔａｇｅ（Ｃ−Ｖ）Ｐｌｏｔ  Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  Ａｃｔｕａｔｉｏｎ／Ｌａｔｃｈｉｎｇ”，Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ＭＥＭＳ，Ｖｏｌ．１，ｐｐ．２７５−２８０（１９９９）で報告されているように、ＭＥＭＳ慣性センサの静電自己試験を行う（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  ｓｅｌｆ−ｔｅｓｔ  ａｃｔｕａｔｉｏｎ）ときに静止摩擦が発生する可能性がある。
【０００８】
[0008]静止摩擦はＭＥＭＳ慣性センサの測定を誤らせるかまたはＭＥＭＳ慣性センサを動作不能にする可能性がある。具体的には、静止摩擦により生じる一部の事象により、プルーフマスが基板アンカーに永久的に付着される可能性があり、それによりＭＥＭＳが加速度を感知するのを止める可能性がある。しかし、静止摩擦により生じる別の事象でもプルーフマスが基板アンカーに一時的に付着される可能性があり、それによりＭＥＭＳが加速度を不正確に感知する可能性がある。したがって、静止摩擦の結果としてプルーフマスが基板アンカーに一時的に付着されても永久的に付着されても、そのいずれでも、ＭＥＭＳ慣性センサの測定に誤差が生じる可能性がある。
【０００９】
[0009]したがって、基板アンカーとプルーフマスとの間で受ける静止摩擦が軽減されるＭＥＭＳ慣性センサが有益である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
[0010]一実施形態のマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）が、基板と、基板の表面の上方の位置に位置する第１の湾曲表面と、基板の表面に平行な第１の軸に沿って第１の湾曲表面の概して反対側にある第２の湾曲表面とを有し、第１の湾曲表面が第１の軸に沿って第２の湾曲表面に向かう方向に移動可能である。
【００１１】
[0011]別の実施形態によると、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）のための加速度計が、基板と、プルーフマスの第１の側に位置する第１の湾曲表面を備える、基板の表面の上方の位置のところにあるプルーフマスと、第１の湾曲表面の概して反対側にある第２の湾曲表面を備える移動止め（ｔｒａｖｅｌ  ｓｔｏｐ）とを有し、第１の湾曲表面が第２の湾曲表面に向かう方向に移動可能である。
【００１２】
[0012]別の実施形態によると、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）のための加速度計を形成する方法が、基板を形成することと、基板の表面の上方の位置にあるプルーフマスの第１の側にある第１の湾曲表面を備えるプルーフマスを形成することと、第１の湾曲表面の概して反対側にある第２の湾曲表面を有する、基板を基準として定位置に固定される第１の移動止めを形成することとを含み、プルーフマスが第１の移動止めに向かう方向に移動可能である。
【００１３】
[0013]図を参照する以下の説明より、本明細書で開示されるデバイスおよび方法の特徴が当業者には明確となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】[0014]プルーフマス上にある凹状の従動部と、アンカー上にある凸状の移動止めとを有するプルーフマス位置決め形状構成を有するマイクロ電気機械システム（「ＭＥＭＳ」）を示す斜視図である。
【図２】[0015]図１の線２−２に沿う、ＭＥＭＳを示す断面図である。
【図３】[0016]図１のＭＥＭＳを示す上面図である。
【図４】[0017]プルーフマスがニュートラル位置にある状態の、図１のＭＥＭＳの位置決め形状構成を示す部分上面図である。
【図５】[0018]プルーフマスがｘ軸に沿う負側の最大変位位置にある状態の、図１のＭＥＭＳの位置決め形状構成を示す部分上面図である。
【図６】[0019]プルーフマスがｙ軸に沿う負側の最大変位位置にある状態の、図１のＭＥＭＳの位置決め形状構成を示す部分上面図である。
【図７】[0020]プルーフマス上にある凹状の従動部と、アンカー上にある凸状の移動止めとを有するプルーフマス位置決め形状構成を有するＭＥＭＳの一実施形態を示す上面図である。
【図８】[0021]アンカー上にある凹状の従動部と、プルーフマス上にある凸状の移動止めとを有するプルーフマス位置決め形状構成を有するＭＥＭＳの一実施形態を示す上面図である。
【図９】[0022]プルーフマス上にある長方形従動部と、アンカー上にある凸状の移動止めとを有するプルーフマス位置決め形状構成を有するＭＥＭＳの一実施形態を示す上面図である。
【図１０】[0023]サブミクロンの隙間によって分離される第１の要素および第２の要素を有するプルーフマス位置決め形状構成を有するＭＥＭＳを形成するためのマスクを示す上面図である。
【図１１】[0024]図１０のマスクを用いて形成されるＭＥＭＳを示す上面図である。
【図１２】[0025]サブミクロンの隙間によって分離される第１の要素および第２の要素を有するプルーフマス位置決め形状構成を有するＭＥＭＳを形成するためのマスクを示す上面図である。
【図１３】[0026]図１２のマスクを用いて形成されるＭＥＭＳを示す上面図である。
【図１４】[0027]ＭＥＭＳトンネリングチップ加速度計（ＭＥＭＳ  ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｔｉｐ  ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ）を示す概略図である。
【図１５】[0028]図１４のトンネリングチップ加速度計の第１および第２のチップを形成するためのマスクを示す部分上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
[0029]本明細書で説明されるデバイスおよび方法の原理を理解するのを促進することを目的として、次に、図に示されて以下の記述で説明される実施形態を参照する。したがって、デバイスおよび方法の範囲を限定する意図されないことを理解されたい。また、これらのデバイスおよび方法は示される実施形態に対する任意の代替形態および修正形態を含み、さらには、これらのデバイスおよび方法に関連する当業者であれば通常は思い付くであろう、デバイスおよび方法の原理の別の適用も含むことを理解されたい。
【００１６】
[0030]マイクロ電気機械システム（「ＭＥＭＳ」）１００の例示の実施形態が図１に示される。ＭＥＭＳ１００は加速度を感知するように構成される。具体的には、ＭＥＭＳ１００がｚ軸に沿う成分を有する方向に加速すると、ＭＥＭＳ１００が加速度に関連する電気出力を生成する。
【００１７】
[0031]ＭＥＭＳ１００は、基板１０８と、壁１１２と、プルーフマス１１６とを有する。基板１０８が、ｚ軸に対して概して直角をなすつまり垂直であるｘ−ｙ平面内に表面１２０を画定する。壁１１２が基板１０８に結合され、ｚ軸に沿って表面１２０の上方を延在する。壁１１２は基板１０８と等しい材料から形成されてよく、一部の実施形態では、基板１０８と一体であってよい。別法として、壁１１２は表面１２０上に配置される基板１０８とは異なる材料であってもよく、基板１０８に接着されてもよい。図１に示されるように、壁１１２は単一の部材としてプルーフマス１１６の周りに形成されるが、壁１１２は１つまたは複数のスペースによって分離される複数の部材としてプルーフマス１１６の周りに形成されてもよい。壁１１２および表面１２０が空洞１２４を画定する。空洞１２４は、ｙ軸に沿う長さと、ｘ軸に沿う幅と、ｚ軸に沿う深さとを有する。
【００１８】
[0032]プルーフマス１１６は、ｚ軸に沿う成分を有する方向にＭＥＭＳ１００が加速することに反応して基板１０８を基準として移動するように空洞１２４内に配置される。プルーフマス１１６は基板１０８とは異なる材料から形成されてよい。後で説明するように、ばね１２６（図２）が基板１０８の上方でプルーフマス１１６を懸垂する。プルーフマス１１６は、ｙ軸に沿う長さと、ｘ軸に沿う幅と、ｚ軸に沿う高さとを有する。プルーフマス１１６の長さおよび幅は空洞１２４の長さおよび幅より小さいことから、プルーフマス１１６は空洞１２４内でｘ軸、ｙ軸およびｚ軸に沿って移動することができる。
【００１９】
[0033]図２および３を参照してＭＥＭＳ１００をさらに詳細に説明する。図２の断面図に示されるように、ＭＥＭＳ１００は、ばね１２６と、保持要素１２８とを有する。ばね１２６はニュートラル位置において表面１２０の上方でプルーフマス１１６を懸垂する。図１〜４ではプルーフマス１１６はニュートラル位置で示される。ばね１２６のばね定数が、ＭＥＭＳ１００が加速することに反応するプルーフマス１１６によって示される変位の大きさに関連する。具体的には、低いばね定数のばね１２６を有するＭＥＭＳ１００は、高いばね定数のばね１２６を有するＭＥＭＳ１００よりも低い加速度閾値を有することができる。本明細書で使用される「加速度閾値」という用語は最小加速度を意味し、ＭＥＭＳ１００はこの最小加速度を感知するように構成される。ＭＥＭＳ１００が加速するのを止めてＭＥＭＳ１００の加速度が加速度閾値未満まで低下すると、ばね１２６がプルーフマス１１６をニュートラル位置まで戻す。保持要素１２８（図１および３には示されない）が空洞１２４の上側の境界を画定し、この保持要素１２８は表面１２０に概して平行である。保持要素１２８は、マイナスのｚ軸方向に沿う成分を有する方向にＭＥＭＳ１００が加速することの結果としてプルーフマス１１６が空洞１２４から出るのを防止する。
【００２０】
[0034]ＭＥＭＳ１００は、基板１０８を基準としてｘ軸およびｙ軸に沿う方向にプルーフマス１１６が移動するのを制限するための位置決め形状構成１３２を有する。位置決め形状構成１３２は、移動止め１３４と、従動部１３６とを有する。図１および３に示されるように、従動部１３６はプルーフマス１１６上に形成され、移動止め１３４は壁１１２上に形成されるが、別の実施形態では、従動部１３６は壁１１２上に形成され、移動止め１３４はプルーフマス１１６上に形成される。いずれの実施形態でも、プルーフマス１１６がｘ軸および／またはｙ軸に沿って最大変位位置まで移動すると、従動部１３６が移動止め１３４に接触する。
【００２１】
[0035]図４〜６を参照しながら位置決め形状構成１３２をさらに詳細に説明する。従動部１３６が、窪み１３８と、口１４０とを有する。窪み１３８が半径１４２を有する湾曲表面を画定する。窪み１３８の湾曲表面は基板１０８の表面１２０の上方に配置され、窪み１３８はｘ−ｙ平面内にある概して凹状の表面である。口１４０が窪み１３８の外側縁部を画定する。口１４０は、窪み１３８の下側縁部から窪み１３８の上側縁部まで延びる長さ１５０を有する。移動止め１３４は、頭部１４６および首部１４７を有するポスト１４４を有する。頭部１４６が首部１４７の端部に接続される。頭部１４６は、ｘ−ｙ平面内にある概して凸状の表面である湾曲表面を画定する。頭部１４６の湾曲表面は半径１４８を有する。半径１４２および半径１４８は等しくなく、詳細には半径１４２が半径１４８より大きい。
【００２２】
[0036]図４に示されるように、プルーフマス１１６がニュートラル位置にあるとき、移動止め１３４が窪み１３８内に配置される。プルーフマス１１６がｘ軸に沿う最大変位位置まで移動すると、図５に示されるように、頭部１４６の頂点１５１が窪み１３８の頂点１５２に接触する。本明細書で使用される「頂点」という用語は、窪み１３８の最深位置と、頭部１４６の最高位置とを意味する。半径１４２が半径１４８より大きいことから、頂点１５１と頂点１５２との間の接触は点接触となる。プルーフマス１１６がｙ軸に沿う最大変位位置まで移動すると、図６に示されるように首部１４７が点接触で口１４０に接触する。プルーフマス１１６がｘ軸に沿う最大変位位置とｙ軸に沿う最大変位位置との間の位置まで移動すると、頭部１４６が頂点１５２と口１４０との点接触で窪み１３８に接触する。
【００２３】
[0037]位置決め形状構成１３２がｘ軸およびｙ軸に沿うプルーフマス１１６の運動を固定された距離に制限する。具体的には、ＭＥＭＳ１００の左側および右側の位置決め形状構成１３２がｙ軸に沿うプルーフマス１１６の運動を距離１５４（図６）に制限する。具体的には、距離１５４は長さ１５０から首部１４７の厚さ１５６を引いた分に等しい。さらに、ＭＥＭＳ１００の左側および右側の位置決め形状構成１３２はｘ軸に沿うプルーフマス１１６の運動を距離１６０に制限する。具体的には、プルーフマス１１６がニュートラル位置にあるとき、隙間１６２が窪み１３８から頭部１４６を分離する。距離１６０は隙間１６２の長さの２倍に等しい。ＭＥＭＳ１００の上側および下側の位置決め形状構成１３２が、ｘ軸に沿うプルーフマス１１６の運動を距離１５４に制限し、ｙ軸に沿うプルーフマス１１６の運動を距離１６０に制限する。
【００２４】
[0038]ＭＥＭＳ１００は少数の位置決め形状構成１３２を用いて形成され得る。図３を再び参照すると、ＭＥＭＳ１００の左側の位置決め形状構成１３２が、マイナスのｘ軸方向ならびにプラスおよびマイナスのｙ軸方向に過度に移動することに対応し、ＭＥＭＳ１００の右側の位置決め形状構成１３２がプラスのｘ軸方向ならびにプラスおよびマイナスのｙ軸方向に過度に移動することに対応する。したがって、ＭＥＭＳ１００は、ＭＥＭＳ１００の左側にある１つの位置決め形状構成１３２と、ＭＥＭＳ１００の右側にある１つの位置決め形状構成１３２とを用いて、ｘ−ｙ平面の各方向にプルーフマス１１６が過度に移動するのに対応することができる。また、ＭＥＭＳ１００の頂部側の位置決め形状構成１３２が、プラスおよびマイナスのｘ軸方向ならびにプラスのｙ方向に過度に移動することに対応し、ＭＥＭＳ１００の底側の位置決め形状構成１３２が、プラスおよびマイナスのｘ軸方向ならびにマイナスのｙ軸方向に過度に移動することに対応する。したがって、ＭＥＭＳ１００は、ＭＥＭＳ１００の頂部側にある１つの位置決め形状構成１３２と、ＭＥＭＳ１００の底側にある１つの位置決め形状構成１３２とを用いて、ｘ−ｙ平面の各方向にプルーフマス１１６が過度に移動するのにも対応することができる。
【００２５】
[0039]位置決め形状構成１３２は、移動止め１３４と従動部１３６との間の静止摩擦を低減するように構成される。その理由は、第２の湾曲表面より小さい半径を有する第１の湾曲表面が両方の湾曲表面に接する１つの点で第２の湾曲表面に必ず接触するからである。具体的には、図５に示されるように、プルーフマス１１６がｘ軸に沿う負側の最大変位位置まで移動すると、頭部１４６の頂点１５１が窪み１３８の頂点１５２に接触する。同様に、図６に示されるように、プルーフマス１１６がｙ軸に沿う正側の最大変位位置まで移動すると、頭部１４６が口１４０に接触する。接点的接触領域（ｔａｎｇｅｎｔ  ｐｏｉｎｔ  ｃｏｎｔａｃｔ  ｒｅｇｉｏｎ）を得るために、半径１４２および半径１４８は等しくない。接触領域の表面積が縮小することにより、既知の平坦な移動止めと比較して従動部１３６および移動止め１３４との間の静止摩擦が低減される。したがって、ＭＥＭＳ１００は低減される静止摩擦の閾値を有し、したがって、非常に低い加速度を測定するように構成され得る。
【００２６】
[0040]次に図７に参照すると、ＭＥＭＳ２００の別の実施形態が示されている。ＭＥＭＳ２００が、基板２０４と、壁２０８と、プルーフマス２１２とを有する。基板２０４が、ｚ軸に対して概して直角をなすつまり垂直なｘ−ｙ平面内に表面２１６を画定する。壁２０８が基板２０４に結合され、ｚ軸に沿って表面２１６の上方を延在する。壁２０８および表面２１６が、ｙ軸に沿う長さと、ｘ軸に沿う幅と、ｚ軸に沿う深さとを有する空洞２２０を画定する。プルーフマス２１２が、ｚ軸に沿う成分を有する方向にＭＥＭＳ２００が加速することに反応して基板２０４を基準として移動するように空洞２２０内に配置される。
【００２７】
[0041]ＭＥＭＳ２００は、基板２０４を基準としてプルーフマス２１２がｘ軸およびｙ軸に沿う方向に移動することを制限するための位置決め形状構成２２４を有する。具体的には、ＭＥＭＳ２００は、ＭＥＭＳ１００と比較して４つの追加の位置決め形状構成２２４を有する。追加の位置決め形状構成２２４は、限定しないが、落下試験を行うとき、静電自己試験を行うとき、および、ばね質量の共振振動が励起されるときなどの、外部の物理的衝撃を受けるときに、任意の１つの位置決め形状構成２２４に作用する力を低減させる。
【００２８】
[0042]ＭＥＭＳ３００の別の実施形態が図８に示される。ＭＥＭＳ３００が、基板３０４と、壁３０８と、プルーフマス３１２とを有する。基板３０４が、ｚ軸に対して概して直角をなすつまり垂直であるｘ−ｙ平面内に表面３１６を画定する。壁３０８が基板３０４に結合され、ｚ軸に沿って表面３１６の上方を延在する。壁３０８および表面３１６が、ｙ軸に沿う長さと、ｘ軸に沿う幅と、ｚ軸に沿う深さとを有する空洞３２０を画定する。プルーフマス３１２が、ｚ軸に沿う成分を有する方向にＭＥＭＳ３００が加速することに反応して基板３０４を基準として移動するように空洞３２０内に配置される。
【００２９】
[0043]ＭＥＭＳ３００は、基板３０４を基準としてプルーフマス３１２がｘ軸およびｙ軸に沿う方向に移動することを制限するための位置決め形状構成３２４を有する。位置決め形状構成３２４は、従動部３２８と、ポスト３３２とを有する。従動部３２８の一部は壁３０８上に形成され、従動部３２８の一部はプルーフマス３１２上に形成される。同様に、ポスト３３２の一部は壁３０８上に形成され、ポスト３３２の一部はプルーフマス３１２上に形成される。ＭＥＭＳ３００は、ＭＥＭＳ１００を参照して説明したのと同様の、静止摩擦の閾値を低減するという利点を有する。
【００３０】
[0044]図９を参照すると、ＭＥＭＳ４００の別の実施形態が示されている。ＭＥＭＳ４００が、基板４０４と、壁４０８と、プルーフマス４１２とを有する。基板４０４が、ｚ軸に対して概して直角をなすつまり垂直なｘ−ｙ平面内に表面４１６を画定する。壁４０８が基板４０４に結合され、ｚ軸に沿って表面４１６の上方に延在する。壁４０８および表面４１６が、ｙ軸に沿う長さと、ｘ軸に沿う幅と、ｚ軸に沿う深さとを有する空洞４２０を画定する。プルーフマス４１２が、ｚ軸に沿う成分を有する方向にＭＥＭＳ４００が加速することに反応して基板４０４を基準として移動するように空洞４２０内に配置される。
【００３１】
[0045]ＭＥＭＳ４００は、基板４０４を基準としてプルーフマス４１２がｘ軸およびｙ軸に沿う方向に移動することを制限するための位置決め形状構成４２４を有する。位置決め形状構成４２４は、従動部４２８と、移動止め４３２とを有する。移動止め４３２は湾曲表面を有する頭部４３６を有する。従動部４２８は窪み１３８の代わりに長方形領域４４０を有する。位置決め形状構成４２４が、ｘ軸およびｙ軸の両方に沿う方向にプルーフマス４１２が過度に移動することを制限する。また、位置決め形状構成４２４は、プルーフマス４１２が最大変位位置まで移動するときの壁４０８とプルーフマス４１２との間の接触面積を縮小させる。たとえば、プルーフマス４１２がｘ軸に沿う最大変位位置まで移動すると、頭部４３６の頂点４４４が長方形領域４４０の１つの点に接触する。プルーフマス４１２がｘ軸およびｙ軸に沿う最大変位位置まで移動すると、個別の接触点で頭部４３６が長方形領域４４０に接触する。したがって、既知の平坦な位置決め形状構成と比較して、静止摩擦の閾値が低減される。別の実施形態（図示せず）では、移動止め４３２がプルーフマス４１２上にあり、長方形領域４４０を有する従動部４２８が壁４０８上にある。
【００３２】
[0046]ＭＥＭＳ１００は以下のプロセスに従って形成され得る。最初に、基板１０８が形成される。一実施形態では、基板１０８がシリコンウエハ上に形成される。次いで、表面１２０が基板１０８上にエッチングされるかまたは別の形でマイクロ機械加工される。本明細書で使用される「エッチング」という用語には、エッチングおよびマイクロ機械加工の形態の中でもとりわけ、ウェット化学エッチング、気相エッチング、および、ドライエッチングが含まれる。表面１２０は基板１０８の他の部分と等しいｘ−ｙ平面で示されるが、表面１２０はウェル内で基板１０８の他の部分の下方に形成されてもよい。
【００３３】
[0047]次に、ばね１２６を形成するための材料が表面１２０上に堆積される。酸化物の犠牲層がばね１２６の周りの表面１２０上に形成され得る。その後、壁１１２およびプルーフマス１１６を形成するための材料が表面１２０上に堆積され、その結果、プルーフマス１１６を形成するための材料が犠牲層上に堆積され、表面１２０の上方に懸垂される。プルーフマス１１６を形成する材料がばね１２６に接着される。壁１１２を形成する材料が表面１２０に接着される。次いで、マスクが材料の上に堆積される。マスクは、少なくとも、壁１１２、プルーフマス１１６および位置決め形状構成１３２の外形を形成してそれらを画定する。
【００３４】
[0048]次いで、マスクによって塞がれていない材料がエッチングで除去され、壁１１２と、プルーフマス１１６と、位置決め形状構成１３２とが形成される。さらに、犠牲層が存在する場合には犠牲層もエッチングで除去され、それによりプルーフマス１１６が表面１２０から分離され、ばね１２６がプルーフマス１１６をニュートラル位置で支持することが可能となる。このプロセスには、プルーフマス１１６を空洞１２４内で密閉するための保持要素１２８を形成することが含まれてもよい。さらに、第１の導線が表面１２０に結合され得、第２の導線がプルーフマス１１６に結合され得る。一部の実施形態では、ばね１２６が第２の導線として機能することができる。
【００３５】
[0049]動作中、ＭＥＭＳ１００が、ｚ軸に沿う成分を有する方向の加速度を感知する。一実施形態では、加速度は、第１および第２の導線に結合される静電容量測定デバイスを用いて表面１２０とプルーフマス１１６との間の静電容量を測定することによって感知される。具体的には、プルーフマス１１６は表面１２０からわずかに分離されるニュートラル位置で示されており、それによりプルーフマス１１６と表面１２０との間に静電容量が得られる。ＭＥＭＳ１００がｚ軸に沿って下方に加速する場合、プルーフマス１１６が表面１２０を基準として上方に移動する。プルーフマス１１６と表面１２０との間の距離が増大すると、プルーフマス１１６と表面１２０との間で測定される静電容量が減少する。静電容量の変化はＭＥＭＳ１００の加速度に関連付けられる。
【００３６】
[0050]ＭＥＭＳを形成するための例示のマスク５００が図１０に示される。マスク５００は図１１のＭＥＭＳ５０２を形成するように構成される。図１１のＭＥＭＳ５０２は、基板５３０と、壁５３４と、プルーフマス５３８とを有する。基板５３０が、ｚ軸に対して概して直角をなすつまり垂直なｘ−ｙ平面内に表面５４２を画定する。壁５３４が基板５３０に結合され、ｚ軸に沿って表面５４２の上方に延在する。壁５３４および表面５４２が、ｙ軸に沿う長さと、ｘ軸に沿う幅と、ｚ軸に沿う深さとを有する空洞５４６を画定する。プルーフマス５３８は、ｚ軸に沿う成分を有する方向にＭＥＭＳ５０２が加速することに反応して基板５３０を基準として移動するように空洞５４６内に配置される。ＭＥＭＳ５０２は、各々が壁要素５５４およびプルーフマス要素５５８を有する多数の位置決め形状構成５５０を有する。
【００３７】
[0051]マスク５００（図１０）が、壁要素５５４とプルーフマス要素５５８との間にサブミクロンの隙間５６２（図１１）を形成するために側方向シリコンエッチプロセス（ｌａｔｅｒａｌ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｅｔｃｈ  ｐｒｏｃｅｓｓ）で使用される。図１０に示されるように、マスク５００は、多数の種類の位置決め形状構成５５０を形成するように構成される。具体的には、マスク５００は、壁要素マスク部分５６０と、プルーフマス要素マスク部分５６４とを有する。部分５６０および部分５６４は点５６８のところで一体に架橋され、部分５６０が部分５６４に接触する。しかし、側方向シリコンエッチングプロセス（ｌａｔｅｒａｌ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｅｔｃｈｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ）中、部分５６０、５６４の下および点５６８の下を延在する材料の一部がエッチングされ、それにより壁要素５５４が形成されてプルーフマス要素５５８から分離される。部分５６０、５６４の下および点５６８の下で行われる側方向エッチングの程度は、図１１のサブミクロンの隙間５６２によって示される点５６８の面積によって制御される。サブミクロンの隙間５６２は最小（頂部）から最大（底部）まで構成される。また、図１２のマスク６００は、側方向シリコンエッチプロセスを使用してＭＥＭＳ６０４（図１３）を形成するように構成される。マスク６００は、図１３のＭＥＭＳ６０４内の位置決め形状構成６１２内で示されるように多様な幅のサブミクロンの隙間６１６を形成する位置決め形状構成マスク部分６０８を有する。サブミクロンの隙間６１６は最小（頂部）から最大（底部）まで構成される。
【００３８】
[0052]図１４に示されるＭＥＭＳトンネリングチップ加速度計７００を形成するために、側方向シリコンエッチングが使用され得る。トンネリングチップ加速度計は、Ｃ．Ｈ．  Ｌｉｕ  ａｎｄ  Ｔ．  Ｗ．  Ｋｅｎｎｙ，“Ａ  Ｈｉｇｈ  Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，  Ｗｉｄｅ  Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ”，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｖｏｌ．１０，Ｎｏ．３，ｐｐ．４２５−４３３（２００１）；ａｎｄ  Ｐ．Ｇ．Ｈａｒｔｗｅｌｌ，Ｆ．Ｍ．Ｂｅｒｔｓｃｈ，Ｋ．Ｌ．Ｔｕｒｎｅｒ、および、Ｎ．Ｃ．ＭａｃＤｏｎａｌｄ，“Ｓｉｎｇｌｅ  Ｍａｓｋ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ”，Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（１９９８）を含めた参考文献で考察されている。図１４の加速度計７００では、プルーフマス７０４はばね７０８によって支持される。加速度計７００は、ｘ−ｙ平面内にある、チップ７１２として示される第１の凸状の表面と、ｘ−ｙ平面にある、チップ７１６として示される第２の凸状の表面とを有する。トンネル電流がチップ７１２からチップ７１６まで流れる。トンネル電流はパッド７２０および７２４の間で測定される。トンネリングチップの隙間７３６を維持するために、また、広範囲の外部加速入力による刺激の振幅（ｅｘｔｅｒｎａｌ  ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ  ｉｎｐｕｔ  ｓｔｉｍｕｌｕｓ  ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）においてトンネル電流を安定させるために、静電気力のフィードバックがパッド７２８および７３２に適用される。加速度計７００の電場集中は図１４に示されるチップ位置のところで最大となる。一部の実施形態では、局部的な熱酸化がチップ７１２、７１６に適用され得る。
【００３９】
[0053]加速度計７００のチップ７１２、７１６は以下のプロセスによって形成され得る。最初に、図１５のマスク部分７５０が、基板上に堆積された半導体材料の一領域上に適用される。マスク部分７５０は、一体に架橋されるチップマスク７５４、７５８を有する。次いで、側方向エッチングプロセスにより、マスク部分７５０の下を延在する半導体材料の一部分が除去される。具体的には、側方向エッチングプロセスの後、チップマスク７５４、７５８が一体に架橋されていても、サブミクロンの隙間７３６がチップ７１２、７１６の間に形成される。
【００４０】
[0054]本明細書に記載されるデバイスおよび方法は図に詳細に示されて上の記述で詳細に説明されるが、これらは特性において例示的であるとみなされるべきであり、限定的であるとみなされるべきではない。好適な実施形態のみが提示されていること、ならびに、本明細書で説明されるデバイスおよび方法の精神の範囲内にあるすべての変更形態、修正形態、および、別の適用が保護されることが望ましいことを理解されたい。
【図１】
2014532889.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年7月25日(2014.7.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板表面の上方の位置に配置された第１の湾曲表面と、
前記基板の前記表面に平行な第１の軸に沿って前記第１の湾曲表面の概して反対側にある第２の湾曲表面とを備え、前記第１の湾曲表面が前記第１の軸に沿って前記第２の湾曲表面に向かう方向に移動可能である、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）。
【請求項２】
前記第１の湾曲表面が前記表面に概して平行な平面内にある概して凸状の表面である、請求項１に記載のＭＥＭＳ。
【請求項３】
前記第２の湾曲表面が前記表面に概して平行な平面内にある概して凸状の表面である、請求項２に記載のＭＥＭＳ。
【請求項４】
前記第２の湾曲表面が突出部内に位置した、請求項２に記載のＭＥＭＳ。
【請求項５】
前記第１の軸に沿った前記第１の湾曲表面の移動が第１の距離に制限され、
前記概して凸状の表面が前記概して凸状の表面の口から前記概して凸状の表面の頂点までの第２の距離を有し、
前記第１の距離の長さが前記第２の距離の長さより小さい、
請求項４に記載のＭＥＭＳ。
【請求項６】
前記基板の前記表面の上方の位置に配置された第３の湾曲表面と、
前記基板の前記表面に平行でありかつ前記第１の軸に対して垂直である第２の軸に沿って前記第３の湾曲表面の概して反対側にある第４の湾曲表面とをさらに備え、前記第３の湾曲表面が前記第２の軸に沿って前記第４の湾曲表面に向かう方向に移動可能である、請求項１に記載のＭＥＭＳ。
【請求項７】
前記基板の前記表面の上方の位置に配置された第５の湾曲表面と、
前記第１の軸に沿って前記第５の湾曲表面の概して反対側にある第６の湾曲表面とをさらに備え、前記第５の湾曲が前記第１の軸に沿って前記第６の湾曲表面に向かう方向に移動可能である、請求項６に記載のＭＥＭＳ。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
[0054]本明細書に記載されるデバイスおよび方法は図に詳細に示されて上の記述で詳細に説明されるが、これらは特性において例示的であるとみなされるべきであり、限定的であるとみなされるべきではない。好適な実施形態のみが提示されていること、ならびに、本明細書で説明されるデバイスおよび方法の精神の範囲内にあるすべての変更形態、修正形態、および、別の適用が保護されることが望ましいことを理解されたい。
（参考発明１）
基板と、
前記基板表面の上方の位置に配置された第１の湾曲表面と、
前記基板の前記表面に平行な第１の軸に沿って前記第１の湾曲表面の概して反対側にある第２の湾曲表面とを備え、前記第１の湾曲表面が前記第１の軸に沿って前記第２の湾曲表面に向かう方向に移動可能である、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）。
（参考発明２）
前記第１の湾曲表面が前記表面に概して平行な平面内にある概して凸状の表面である、参考発明１に記載のＭＥＭＳ。
（参考発明３）
前記第２の湾曲表面が前記表面に概して平行な平面内にある概して凸状の表面である、参考発明２に記載のＭＥＭＳ。
（参考発明４）
前記第２の湾曲表面が突出部内に位置した、参考発明２に記載のＭＥＭＳ。
（参考発明５）
前記第１の軸に沿った前記第１の湾曲表面の移動が第１の距離に制限され、
前記概して凸状の表面が前記概して凸状の表面の口から前記概して凸状の表面の頂点までの第２の距離を有し、
前記第１の距離の長さが前記第２の距離の長さより小さい、
参考発明４に記載のＭＥＭＳ。
（参考発明６）
前記基板の前記表面の上方の位置に配置された第３の湾曲表面と、
前記基板の前記表面に平行でありかつ前記第１の軸に対して垂直である第２の軸に沿って前記第３の湾曲表面の概して反対側にある第４の湾曲表面とをさらに備え、前記第３の湾曲表面が前記第２の軸に沿って前記第４の湾曲表面に向かう方向に移動可能である、参考発明１に記載のＭＥＭＳ。
（参考発明７）
前記基板の前記表面の上方の位置に配置された第５の湾曲表面と、
前記第１の軸に沿って前記第５の湾曲表面の概して反対側にある第６の湾曲表面とをさらに備え、前記第５の湾曲が前記第１の軸に沿って前記第６の湾曲表面に向かう方向に移動可能である、参考発明６に記載のＭＥＭＳ。
（参考発明８）
基板と、
前記基板の表面の上方の位置にあるプルーフマスであって、前記プルーフマスの第１の側に配置された第１の湾曲表面を有する、プルーフマスと、
前記第１の湾曲表面の概して反対側にある第２の湾曲表面を有する移動止めとを備え、前記第１の湾曲表面が前記第２の湾曲表面に向かう方向に移動可能である、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）のための加速度計。
（参考発明９）
前記第１の湾曲表面および前記第２の湾曲表面のうちの少なくとも１つが前記表面に概して平行な平面内にある概して凸状の表面である、参考発明８に記載の加速度計。
（参考発明１０）
前記第２の湾曲表面が前記表面に概して平行な平面内にある概して凸状の表面である、参考発明９に記載の加速度計。
（参考発明１１）
前記第２の湾曲表面が突出部内に配置された、参考発明９に記載の加速度計。
（参考発明１２）
前記プルーフマスが、中でプルーフマスが移動することが可能である、前記基板の前記表面に平行な第１の軸に沿ったスパンを有し、
前記第２の湾曲表面が前記第１の軸に沿って前記第１の湾曲表面の概して反対側に配置され、
前記第１の湾曲表面の少なくとも一部分が前記スパンを通して前記第２の湾曲表面の口内に配置された、
参考発明９に記載の加速度計。
（参考発明１３）
第３の湾曲表面を有する前記プルーフマスの第２の側と、
前記第３の湾曲表面の概して反対側にある第４の湾曲表面を有する第２の移動止めとをさらに備え、前記プルーフマスが前記第２の軸に沿って前記第４の湾曲表面に向かう方向に移動可能である、参考発明８に記載の加速度計。
（参考発明１４）
前記第１の側が前記第２の側に隣接する、参考発明１３に記載の加速度計。
（参考発明１５）
基板を形成するステップと、
プルーフマスであって、前記基板の表面の上方の位置にある前記プルーフマスの第１の側にある第１の湾曲表面を有する、プルーフマスを形成するステップと、
前記第１の湾曲表面の概して反対側にある第２の湾曲表面を有する、前記基板を基準とした位置に固定された第１の移動止めを形成するステップとを含み、前記プルーフマスが前記第１の移動止めに向かう方向に移動可能である、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）のための加速度計を形成する方法。
（参考発明１６）
プルーフマスを形成するステップは、
第１の曲率半径を有する概して凸状の表面を有するように前記第１の湾曲表面を形成するステップ
を含む、参考発明１５に記載の方法。
（参考発明１７）
第１の移動止めを形成するステップは、
第２の曲率半径を有する概して凸状の表面を有するように前記第２の湾曲表面を形成するステップを含み、前記第１の曲率半径が前記第２の曲率半径より小さい、参考発明１６に記載の方法。
（参考発明１８）
第１の移動止めを形成するステップが、
前記第１の湾曲表面に対向する壁上に突出部を形成するステップと、
前記突出部内に前記第２の湾曲表面を形成するステップと、
をさらに含む、参考発明１７に記載の方法。
（参考発明１９）
前記プルーフマスの第２の側に第３の湾曲表面を形成するステップと、
前記第３の表面の概して反対側にある第４の湾曲表面を有し、前記基板を基準とした位置に固定された第２の移動止めを形成するステップと、
をさらに含む、参考発明１５に記載の方法。
（参考発明２０）
前記第１の側が前記第２の側に隣接する、参考発明１９に記載の方法。

【国際調査報告】
2014532889.tif 000018
2014532889.tif 000019