(57)【要約】【課題】複雑かつ高度なマルチデバイスアレイの積層および多層化を可能にし、多数のデバイスを有するモノリシック一体化型デバイスを非常に容易かつ安価に製造する。【解決手段】本発明の方法は、ガラス、プラスチック、可撓性材料、金属箔、および織物を含む群から選択された材料により形成された低温基板上に、機械特性に関して選択的かつ制御可能に変更可能な結晶性を有する出発材料から、機械デバイスを形成する方法であって、選択された材料により形成された低温基板を処理ゾーンに配置する工程と、低温基板上に出発材料から形成される材料本体を形成する工程と、本体内において３次元領域を選択する工程と、処理ゾーン内で、選択された３次元領域の結晶性を制御しながら変更して３次元領域に関する機械特性を変更する工程であって、制御は下層である低温基板に熱的ダメージを与えないように行われる工程とを含む。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス、プラスチック、可撓性材料、金属箔、および織物を含む群から選択された材料により形成された低温基板上に、機械特性に関して選択的かつ制御可能に変更可能な結晶性を有する出発材料から、機械デバイスを形成する方法であって、該機械デバイスが（ａ）所定の構造を含み、（ｂ）該所定の構造内に、完成デバイスによる予め選択された機械的タスクの実行にとって所望の機械特性のセットを含み、該方法が、
該選択された材料により形成された低温基板を処理ゾーンに配置する工程と、
該低温基板上に該出発材料から形成される材料本体を、薄膜層形成処理により形成する工程と、
該本体内において、（ａ）所望のデバイス構造を製造する元となるに適しており、かつ、（ｂ）該所望の機械特性に関する結晶性のセットを内部に確立するに適している３次元領域を選択する工程と、
該処理ゾーン内で、該選択された３次元領域の結晶性を制御しながら変更し、該選択された３次元領域に関する機械特性を変更する工程であって、該制御は下層である該低温基板に熱的ダメージを与えないように行われ、該選択された３次元領域において該所望の機械特性のセットを得る、工程と、
を包含する方法。
【請求項２】
前記材料本体内において結晶性が変更されたさらなる３次元領域を形成することにより、電子デバイスの少なくとも一部を形成する工程をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記材料本体は所定の厚みを有する層の形態を取り、該変更する工程が、該層の各ゾーンを厚み全体に亘って溶融し再結晶化する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記材料本体は所定の厚みを有する層の形態を取り、前記変更する工程が、該層の各ゾーンを厚みの一部に亘って溶融し再結晶化する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記変更する工程が、前記３次元領域内の異なるゾーンを識別し区別するように行われ、該識別され区別されたゾーンが、該変更する工程の後に、異なる内部特性を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記変更する工程が、前記材料本体の表面に向けられた制御されたエネルギービームによって行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記制御されたエネルギービームが、レーザビームの形態を取る、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記変更する工程を行う間、前記エネルギービームが前記本体に入射する位置が、該材料本体の前記表面に亘って移動する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記変更する工程が、前記材料本体の互いに反対側の表面に向けられた１対の制御されたエネルギービームによって行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記制御されたエネルギービームが、レーザビームの形態を取る、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記変更する工程を行う間、前記エネルギービームが前記本体に入射する位置が、該材料本体の前記互いに反対側の表面に亘って移動する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記結晶性を制御しながら変更する工程が、内部粒径の拡大を引き起こす、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記材料本体は所定の厚みを有する層の形態を取り、該変更する工程が、該層の各ゾーンを厚み全体に亘って溶融し再結晶化する工程を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項１４】
前記材料本体は所定の厚みを有する層の形態を取り、該変更する工程が、該層の各ゾーンを厚みの一部に亘って溶融し再結晶化する工程を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項１５】
前記変更する工程が、前記３次元領域内の異なるゾーンを識別し区別するように行われ、該識別され区別されたゾーンが、該変更する工程の後に、異なる内部特性を有する、請求項２に記載の方法。
【請求項１６】
前記変更する工程が、前記材料本体の表面に向けられた制御されたエネルギービームによって行われる、請求項２に記載の方法。
【請求項１７】
前記制御されたエネルギービームが、レーザビームの形態を取る、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記変更する工程を行う間、前記エネルギービームが前記本体に入射する位置が、該材料本体の前記表面に亘って移動する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記変更する工程が、前記材料本体の互いに反対側の表面に向けられた１対の制御されたエネルギービームによって行われる、請求項２に記載の方法。
【請求項２０】
前記制御されたエネルギービームが、レーザビームの形態を取る、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記変更する工程を行う間、前記エネルギービームが前記本体に入射する位置が、該材料本体の前記互いに反対側の表面に亘って移動する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記結晶性を制御しながら変更する工程が、内部粒径の拡大を引き起こす、請求項２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温基板上での、結晶化処理されたモノリシック一体化型機械デバイス、機械デバイスと電子デバイスとを組み合わせたモノリシック一体化型デバイス、ならびにその製造方法およびシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
結晶化処理されたデバイスとして、機械デバイス、および機械電子デバイス、いわゆるＭＥＭＳ（マイクロ電子機械）デバイス、積層／多層デバイス、および層状モノリシックアレイに形成されたデバイス等がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
これまでに提案されているデバイスの製造方法では、安価に且つ効率的に上記のデバイスを製造することができず、実用化が困難であった。また、小型で汎用かつ広範囲に制御および生成可能で正確な機械デバイス、電子機械デバイス、およびＭＥＭＳデバイスの製造が困難であった。また、室温よりも高い製造環境および真空チャンバ等、複雑な設備が必要であった。
【０００４】
本発明は、複雑かつ高度なマルチデバイスアレイの積層および多層化を可能にし、多数のデバイスを有するモノリシックアレイを非常に容易かつ安価に製造する方法および製造システム、機械デバイスと電子デバイスとの少なくとも一方を組み合わせて備えるモノリシック一体化型デバイスを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、低温結晶化処理されたデバイス、特に機械デバイス、および機械電子デバイス、所謂ＭＥＭＳ（マイクロ電子機械）デバイス、積層／多層デバイス、および層状モノリシックアレイに形成されたデバイスに関する技術に対する認識および上記技術の開発から生じた。この技術は、これまで実用化が可能であるほど安価かつ便利に製造されていなかったデバイスおよび用途を提供する。この新規分野のデバイスからは本発明を含む数々の発明が実際に生まれている。これらの発明は、様々な異なる材料により形成される本体内で行われる内部結晶化処理により、小型（最も小さいもので分子クラスタから形成されるデバイスサイズ）で汎用かつ広範囲に制御および生成可能で正確な機械デバイス、電子機械デバイス、およびＭＥＭＳデバイスが製造可能となるという認識に基づく。これらのデバイスは、非常に安価に製造可能であり、これらのデバイスの製造に用いられるレーザ処理は複雑な制御が不要で室温の環境で行われ得、真空チャンバなどを必要としない。
【０００６】
本発明は特に、高密度の２次元および３次元の複雑なアレイおよび積層構造において配置され得る超小型機械デバイスを、比較的安価で非常に確実に製造する有意な方法を提供する。これらのデバイスは、広範囲の異なる構造、例えば、個別化された単体デバイス構造、同様のデバイスのモノリシック単層アレイ構造、機械デバイスと電子デバイスとの組み合わせの同様のモノリシックアレイ、および、複雑なデバイスを垂直方向に集積およびアセンブリした積層および多層構造などを取り得る。これらのデバイス構造は、従来のプロセスおよび技術では製造不能であった。室温での製造が可能になったことにより、製造されたデバイスの下層などの、室温以外では容易にダメージを受け破壊する層を含む下地基板を容易に用いることができるようになった。
【０００７】
本明細書に記載する本発明は、非半導体材料、半導体材料、圧電材料、誘電体材料などの非常に広範囲の材料で実施され得、これらの材料は、様々な特性を有する剛性の基板上にアレイ状に配置され得る。基板の材料としては広い範囲のフレキシブルな材料が用いられ、例えば従来のフレックス回路材料（ポリマーおよびプラスチック）、金属箔材料、さらにはファブリック材料までをも含む。本発明で使用可能な材料は、さらに、大きいサイズのバルク材料および様々な薄膜材料を含む。後者の材料カテゴリに関して、本発明のプロセスは、ユニークなデバイスを整形し形成するために従来の薄膜処理技術を利用することができる。従来の薄膜処理技術を利用しない場合、上記ユニークなデバイスは、本発明による内部結晶化処理にしたがって製造され、それにより機械特性が活躍する新しい場が広く提供される。
【０００８】
本発明は、高温処理に耐えられない種々の基板上にレーザ処理により機械デバイス、または機械デバイスと電子デバイスとの組み合わせを製造するユニークなプロセス、ならびに関連するシステムおよび方法を提供する。本発明は特に、ガラス、プラスチック類、石英、種々の箔およびフレックス回路材料、さらにはファブリックなどの材料により形成された基板上に上記デバイスを形成し処理する方法を提供する。
【０００９】
以下の記載および図面により明らかであるように、本発明によると、上述したように比較的大きいデバイスから非常に小さいデバイスまでの様々な汎用デバイスを、複数の材料を用いて安価に製造しかつ用いることができる。これらのデバイスは種々の形態のＭＥＭＳを含む。これらのデバイスを製造する際に用いる、本発明によるレーザ処理は、特別に制御された処理環境も、室温より高い処理温度も必要としない。
【００１０】
本発明の方法は、ガラス、プラスチック、可撓性材料、金属箔、および織物を含む群から選択された材料により形成された低温基板上に、機械特性に関して選択的かつ制御可能に変更可能な結晶性を有する出発材料から、機械デバイスを形成する方法であって、上記機械デバイスが（ａ）所定の構造を含み、（ｂ）上記所定の構造内に、完成デバイスによる予め選択された機械的タスクの実行にとって所望の機械特性のセットを含み、上記方法が、上記選択された材料により形成された低温基板を処理ゾーンに配置する工程と、上記低温基板上に上記出発材料から形成される材料本体を、薄膜層形成処理により形成する工程と、上記本体内において、（ａ）所望のデバイス構造を製造する元となるに適しており、かつ、（ｂ）上記所望の機械特性に関する結晶性のセットを内部に確立するに適している３次元領域を選択する工程と、上記処理ゾーン内で、上記選択された３次元領域の結晶性を制御しながら変更し、上記選択された３次元領域に関する機械特性を変更する工程であって、上記制御は下層である上記低温基板に熱的ダメージを与えないように行われ、上記選択された３次元領域において上記所望の機械特性のセットを得る工程とを包含し、そのことにより上記目的が達成される。
【００１１】
上記材料本体内において結晶性が変更されたさらなる３次元領域を形成することにより、電子デバイスの少なくとも一部を形成する工程をさらに包含してもよい。
【００１２】
上記材料本体は所定の厚みを有する層の形態を取り、上記変更する工程が、上記層の各ゾーンを厚み全体に亘って溶融し再結晶化する工程を含んでもよい。
【００１３】
上記材料本体は所定の厚みを有する層の形態を取り、上記変更する工程が、上記層の各ゾーンを厚みの一部に亘って溶融し再結晶化する工程を含んでもよい。
【００１４】
上記変更する工程が、上記３次元領域内の異なるゾーンを識別し区別するように行われ、上記識別され区別されたゾーンが、上記変更する工程の後に、異なる内部特性を有してもよい。
【００１５】
上記変更する工程が、上記材料本体の表面に向けられた制御されたエネルギービームによって行われてもよい。
【００１６】
上記制御されたエネルギービームが、レーザビームの形態を取ってもよい。
【００１７】
上記変更する工程を行う間、上記エネルギービームが上記本体に入射する位置が、上記材料本体の上記表面に亘って移動してもよい。
【００１８】
上記変更する工程が、上記材料本体の互いに反対側の表面に向けられた１対の制御されたエネルギービームによって行われてもよい。
【００１９】
上記制御されたエネルギービームが、レーザビームの形態を取ってもよい。
【００２０】
上記変更する工程を行う間、上記エネルギービームが上記本体に入射する位置が、上記材料本体の上記互いに反対側の表面に亘って移動してもよい。
【００２１】
上記結晶性を制御しながら変更する工程が、内部粒径の拡大を引き起こしてもよい。
【００２２】
上記材料本体は所定の厚みを有する層の形態を取り、上記変更する工程が、上記層の各ゾーンを厚み全体に亘って溶融し再結晶化する工程を含んでもよい。
【００２３】
上記材料本体は所定の厚みを有する層の形態を取り、上記変更する工程が、上記層の各ゾーンを厚みの一部に亘って溶融し再結晶化する工程を含んでもよい。
【００２４】
上記変更する工程が、上記３次元領域内の異なるゾーンを識別し区別するように行われ、上記識別され区別されたゾーンが、上記変更する工程の後に、異なる内部特性を有してもよい。
【００２５】
上記変更する工程が、上記材料本体の表面に向けられた制御されたエネルギービームによって行われてもよい。
【００２６】
上記制御されたエネルギービームが、レーザビームの形態を取ってもよい。
【００２７】
上記変更する工程を行う間、上記エネルギービームが上記本体に入射する位置が、上記材料本体の上記表面に亘って移動してもよい。
【００２８】
上記変更する工程が、上記材料本体の互いに反対側の表面に向けられた１対の制御されたエネルギービームによって行われてもよい。
【００２９】
上記制御されたエネルギービームが、レーザビームの形態を取ってもよい。
【００３０】
上記変更する工程を行う間、上記エネルギービームが上記本体に入射する位置が、上記材料本体の上記互いに反対側の表面に亘って移動してもよい。
【００３１】
上記結晶性を制御しながら変更する工程が、内部粒径の拡大を引き起こしてもよい。
【００３２】
本発明は様々な設定で実施可能であるが、以下の説明では、多くの異なる材料から形成される個々のデバイスについて述べる。本発明によると、例えば、比較的薄いバルク材料を用いて、複数のデバイスを含むモノリシックアレイが単独で形成され得る。
【００３３】
添付の図面を参照して以下の説明を読むことにより、当業者は本発明をより良く理解することができ、本発明が当該分野に対してもたらす技術向上および貢献がより明らかになる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
まず図１を参照して、本発明により採用されるシステム（概して参照符号２０で示す）を説明する。システム２０は、本発明にしたがって、様々な異なる材料の内部結晶化処理する方法を実行する。上記結晶化処理は、それぞれ所定かつ予め選択されたタスクを行うための１以上の機械デバイスを製造するために行われる。システム２０は、適切にプログラムされたデジタルコンピュータ２２と、コンピュータ２２に動作可能に接続された適切なレーザ処理コントローラ２４とを含む。レーザ処理コントローラ２４は、光学またはマスク方法を用いたビーム整形および光学制御、光線量制御、角度制御、マスク制御、およびその他の適切なレーザビーム２６の機能特性を規定する制御を行う。レーザビーム２６は、本発明において、複数の異なる材料のいずれかの内部結晶化処理を行うために採用される（後に詳述する）。図１に示すように、処理材料により形成される層（処理材料層２８）が適切な下地基板３０上に適切に形成され、下地基板３０は３軸平行移動ステージ（被駆動ステージ）３２上に設けられ且つ固定されている。
【００３５】
被駆動ステージ３２は図１に示す動作駆動システム３４に駆動可能に接続されており、動作駆動システム３４は、コンピュータ２２の制御下にある。動作駆動システム３４は、コンピュータ２２の制御および影響下にあり、被駆動ステージ３２を平行移動することができ、したがって被駆動ステージ３２上の処理材料層２８を平行移動することができる。平行移動は、通常の互いに直交する３軸Ｘ、ＹおよびＺ（図１の側部に示す）の各々に沿って行われる。具体的には、被駆動ステージ３２の動きに対する制御は、適切なアルゴリズム３６によって指示される。アルゴリズム３６は、コンピュータ２２内にプログラムとして格納されており、基本的にはレーザビームを、選択されたデバイス構造およびデバイスの内部機械特性にしたがって処理するように方向づけるようになっている。アルゴリズム３６は上記処理用に特別に設計されている。
【００３６】
コンピュータ２２、レーザ処理コントローラ２４、アルゴリズム３６、被駆動ステージ３２、および動作駆動システム３４の構造の特性自体は、本発明の本質とは無関係であるため、詳細には説明しない。
【００３７】
システム２０は、所与のタイプの機械デバイスを製造するために、基本的には以下のように動作する。ユーザが構築すべき特定タイプのデバイスを選択し、そのデバイスの適切なサイズおよび構造を選択する。その後、選択されたタスクを実行するためにデバイスが適切に動作するためには、そのデバイスが有すべき最も良好で最も適した内部機械特性は何かを決定する。このようなデバイスを製造するための特定の材料は、内部結晶性と機械特性とが密接にリンクした複数の材料から選択され得る。特に使用可能な材料は、その内部結晶性が、デバイスにとって望ましい機械特性が得られるようにレーザ処理によって変更され得る材料である。本発明が都合良くかつ首尾良く実施できる様々な材料を簡単に説明する。これらの材料は、その出発膜状態、すなわち処理前の状態が完全に非結晶なものから多結晶のものまで広い範囲に亘る。
【００３８】
本発明の処理は例えば、非結晶、ナノ結晶、マイクロ結晶、多結晶およびバルクのいずれかに適合する出発材料を用いて始められる。これらの材料は概して初期の出発膜状態において、天然の単結晶よりも内部結晶性を有する割合が少ない。
【００３９】
本発明により非常に首尾良く処理され得る材料は、例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウム、種々の誘電体材料、種々の圧電体材料、銅、アルミニウム、およびチタンなどである。
【００４０】
本発明をさらに説明するために、本発明を実施する様式およびそれによって得られるデバイスを以下に述べる。以下の例では、特定タイプの材料の出発非結晶シリコン材料層２８（図１）を厚み方向全体に亘って処理する。ポイントを絞って説明すると、この出発膜の例としての非結晶シリコン材料はガラス基板３０（図１）上に適切な層として設けられる。他の基板材料は、石英、種々の金属、プラスチック、フレックス材料、ファブリックなどを含む。これらの材料はすべて、出発シリコン材料の融点より遙かに低い、相対的に低い融点（または破壊性）を有する。
【００４１】
上記で示唆したように、本発明によると、様々なユニークな構造および構成を有する機械デバイスが製造される。これらのデバイスは、非常に小型であり、小さい分子クラスタのサイズのものまで含まれる。本発明によって製造され得るデバイスは、種々のＭＥＭＳデバイスおよびマイクロ機械デバイスを含む。マイクロ機械デバイスは、様々な環境イベント、例えば化学的および生物学的イベント用のセンサ、種々の動きエレメント、発振エレメント、片持ち梁、アクチュエータ、リレースイッチおよび他のデバイスとして作用するように増感される。
【００４２】
特定のデバイスの３次元構造は、従来から公知の複数の方法のいずれによっても形成され得る。最終生成デバイスを３次元的に規定するために用いられるプロセス、例えば、材料の塊から、形成されたエレメントを分離するために用いられるプロセスおよび／またはデバイスのモノリシックアレイ内の複数のデバイスをパフォーマンスごとに個別化するために用いられるプロセスとしては、種々の従来のプロセスが用いられ得る。これは本発明の本質には無関係であるため、詳細には説明しない。
【００４３】
本発明の一実施形態を以下に述べる。
【００４４】
まず、平行移動されるレーザビームを用いる片面処理により、単体マイクロ機械的片持ち梁機械デバイスを製造する。種々の特殊なタイプのレーザ、例えばエキシマレーザ、固体レーザ、連続波レーザ、およびフェムトレーザなどが用いられ得るが、以下の例ではエキシマレーザを用いる。
【００４５】
例えば出発膜の状態で約０．０５μｍから約１．０μｍより厚い厚みまでの範囲の厚みを有する非結晶シリコン層２８をガラス基板３０の表面上に形成するか、または取り付ける。このアセンブリを適切に初期整合しながら被駆動ステージ３２上に配置し、次いでエキシマレーザビーム２６などのレーザビームに対して平行移動させる。レーザビームは、このアセンブリがレーザビーム源に対して平行移動している間、パルス発振される。これによりシリコン層２８の小領域が厚み全体に亘って迅速に溶融し再結晶化する。適切なエキシマレーザは、適切なパルスレートで駆動されパルス発振されて、コンピュータ２２、アルゴリズム３６、およびレーザ処理コントローラ２４の制御下でガラス基板３０の表面に向けられる。エキシマレーザビームは、適度な光線量かつ適切な光路でシリコン層２８に入射する。
【００４６】
エキシマレーザから出射したエキシマレーザビームがシリコン層２８に入射する点は、最終的に形成したい内部結晶性に応じて、定められた様式でシリコン層２８の表面上をレーザビームに対して相対的に移動する。これにより、所定かつ所望の内部結晶性を得るように設計された様式で、シリコン層２８が迅速に厚み全体に亘って溶融し再結晶化する。エキシマレーザをこのように用いることによって、高温イベントが起こる領域が、材料の溶融が具体的に起こる領域に実質的に限定されるように、材料を処理することが可能になる。周辺領域、例えばガラス基板３０内では、危険な温度上昇はほとんど起こらず、プロセス全体を正常な雰囲気環境で且つ完全に室温で行うことができる。
【００４７】
図２、図３および図４は、上記レーザ処理の複数の異なる方法を示す。
【００４８】
図２の方法によると、レーザビームは、非結晶シリコン層２８の上面、すなわちガラス基板３０から距離を置いた面に入射する。処理された領域（ハッチング部分）を参照符号２７で示す（図２〜図８において、処理された領域をハッチングで示す）。
【００４９】
図３の方法によると、互いに協働する２つのレーザビームを用いて、シリコン層２８の両面にレーザビームを入射させる両面処理が行われる。下からのビームは、透明のガラス基板３０を介して、シリコン層２８の底部を有効に処理する。このような両面レーザ処理により、ガラス基板３０に支持されるシリコン層２８の互いに対向する面が同時に溶融および再結晶化することが可能になる。そのため、各レーザビームは、同様の処理を単一のレーザビームを用いて行う場合に要するパワーより少ないパワーしか必要としない。ビーム整形用にマスクが用いられる場合、両面処理法はマスクの耐久性を高める。マスクは高価であるが、高レーザパワーレベルではひどく劣化するからである。両面処理法はさらに、単一のレーザビームのみでは到達が困難な領域での処理を可能にするという点でも有利である。
【００５０】
図４は、レーザビームがガラス基板３０の底面からシリコン層２８（シリコン層の、ガラス基板３０に支持されている面）に向けられる、片面処理法を示す。
【００５１】
図５は、別の片面処理法を示す。この方法によると、レーザビームはシリコン層２８を、厚み方向の一部のみに亘って処理する。これにより、図５に示すような未処理層を下層に有する機械デバイスを製造することができる。
【００５２】
図６、図７、および図８は、図２、図３および図４に示すレーザ処理の改変例、特に、別の照射源からの広領域照射光３８を用いる改変例を示す。別の照射源は、レーザ源であり得るが、これに限られない。広領域照射光３８の幅はレーザビーム２６の幅よりも広い。
【００５３】
図６において、広領域照射光３８はレーザビーム２６と共に、シリコン層２８の上面に入射する。このことは実質的に、シリコン層２８全体の温度上昇につながり、低エネルギーのビームでシリコン層２８を厚み全体に亘って適切に処理することが可能になる。
【００５４】
図７および図８において、広領域照射光３８は、シリコン層２８およびその下地基板の底面に向けられる。図７は、下地基板４０の材料が照射光に対して透過性でない場合を示す。本発明において、処理中のシリコン層は加熱される基板４０からの熱伝導により加熱される。図８の方法では、下地基板がガラス基板３０である。広領域照射光３８がガラス基板３０を透過して、ガラス基板３０の真上のシリコン層２８を加熱する。
【００５５】
本発明によると、構築すべき特定の機械デバイスが一旦決定されると、そのデバイスの所望の３次元構造が選択され、アルゴリズム３６がレーザ処理を指示するように設計される。レーザ処理は、基板上の処理済み材料層内で、最終生成機械デバイスの最終的な個別化および分離（これが望むものである場合）に適した領域を形成するように行われる。このように構造が選択されると、最も望ましい内部機械特性が決められ、アルゴリズム３６がさらにビーム２６などのレーザビームの動作を制御するように構築される。これにより、所望の機械特性を呈する内部結晶性を得るための内部溶融および再結晶化が起こる。場合によっては、材料層内の複数の異なる位置に異なる特定の機械特性を得るために、製造中のデバイス内に異なる結晶性領域を形成することが適していることもあり得る。これは、上述した処理方法を用いることによって問題なく可能である。
【００５６】
図９および図１０はそれぞれ、整形した片持ち梁機械デバイス４２の垂直方向断面図および理想的平面図である。片持ち梁機械デバイス４２は、シリコン材料層２８内を処理することにより規定される。
【００５７】
図１１は、片持ち梁機械デバイス４２の理想的な状態を単独で示す。片持ち梁機械デバイス４２は、機械的イベント、化学的イベント、生物学的イベントなどを検出するために増感された機械デバイスとしての単体マイクロ片持ち梁である。黒いパッチ部分は適切なイベントセンサ４１を示す。イベントセンサとは、化学的センサ、生物学的センサ、および他の種類のセンサである。図１１は、選択された環境イベントに対して梁を撓ませるような様式で応答するために、イベントセンサがいかにして適切な様式で、梁に取り付けられるかを示す。梁４２などのデバイスが目的とする特殊な感度は本発明には無関係であるため、増感については詳述しない。
【００５８】
図１１はさらに、本発明のさらに別の興味深いコンポーネントを示すとも考えられる。すなわち、デバイスの機械的部分内、例えば片持ち梁機械デバイス４２内に、半導体トランジスタなどの電子デバイスを形成することが可能であるということである。この場合、半導体トランジスタは図１１のイベントセンサ４１と同様の位置に形成される。
【００５９】
図１２および図１３はそれぞれ、バルク材料層４３内の内部結晶性が、本発明による、厚み全体に亘って処理する方法（図１２）および厚みの一部のみを処理する方法（図１３）で変更された状態を示す（図１２および図１３において、処理された領域をハッチングで示す）。結晶性を変更する処理は、例えばバルク材料層４３内の内部粒径の拡大を引き起こすことにより結晶性を変更する。
【００６０】
図１４は、単結晶材料シード４４を用いた、さらに別の処理方法を示す。単結晶材料シード４４は、二酸化シリコンなどの適切な支持材料層４５内に形成された小さい凹部内に配置される。シード４４は、非結晶シリコン層５０に隣接して設けられている。レーザ処理は以下のようにして行われる。まず、シード４４に光を照射する。続いてレーザビームを、シード４４から所定のパターンで非結晶シリコン層５０に照射していく。これにより、シード４４の単結晶特性がシリコン層５０の内部構造に伝わり、処理の完了時点で、シリコン層５０内の内部結晶性がより単結晶性に近くなる。
【００６１】
図１５は、初期状態が非結晶である材料をアレイ状に処理することによって形成されたモノリシック層構造５２の一部を簡略化して示す。上記材料層の不連続位置を処理し、黒い四角形で示すような機械デバイス５４のモノリシックアレイを形成する。デバイス５４の各々が実質的に同一の構造を有し、同種類の機能を果たすようにすることはもちろん可能であるが、本発明によると、これらのエレメントが異なる機能を有するようにすること、したがって異なる構成を有するようにすることももちろん可能である。
【００６２】
図１６は、本発明にしたがって製造された電子デバイスと機械デバイスとの組み合わせによる単層モノリシックアレイ５６の一部を示す。アレイ５６では、図１５のアレイ同様、黒い四角形が本発明にしたがって製造された様々な機械デバイス５５を示す。白い丸は、図１６に示すアレイに設けられた、トランジスタなどの半導体デバイス５７を示す。
【００６３】
本発明によって提案される内部結晶化処理により、機械デバイスと電子デバイスとの組み合わせによるモノリシック一体型デバイス、および言うまでもなく電子機械デバイスが製造される。図１６に示すデバイスは、図示しないが他のデバイスと何らかの様式で接続されており、図１６に示す特定の単一のアレイ内において互いに非インタラクディブである。破線によって相互接続されていることが示されているデバイス（２つの機械デバイスと１つの半導体デバイス）はインタラクティブに相互接続されている。
【００６４】
図１７は、積層／多層隣接モノリシック層５８を示す。積層／多層隣接モノリシック層５８は、本発明により製造された機械デバイス５５と半導体デバイス５７との組み合わせを有する積層された２つのモノリシック層６５および６６を備える。図１７に示す部分では、上層６５が５個の機械デバイス５５（黒い四角形）と３個の半導体デバイス５７（白い丸）とを含み、下層６６が２個の機械デバイス５５と４個の半導体デバイス５７とを含む。
【００６５】
図１７に示す２層６５、６６間では、機械デバイス５５と半導体トランジスタなどの半導体デバイス５７との間に相互接続が存在する。ここで、図１７に示す略垂直な破線がモノリシック層を構成する２層６５、６６間の半導体デバイス５７と機械デバイス５５との相互接続を表す。このような接続および相互接続は、任意の適切な様式で形成され得る。積層／多層隣接モノリシック層５８の製造では、下地基板３０上において層６６に機械デバイス５５と半導体デバイス５７とが形成される。順番に層６６上に直接積層することにより層６５を形成し、層６６と共通の結晶化処理を行うことにより層６５に機械デバイス５５と半導体デバイス５７とが形成される。本発明では、層６６の結晶化処理は下地基板３０に熱的ダメージを与えない。同様に、層６５の結晶化処理は層６６に熱的ダメージを与えない。
【００６６】
図１８にフレキシブル基板６２の一部を示す。フレキシブル基板６２は、プラスチック、一般的なフレックス基板材料、銅などの金属箔などの種々の材料により形成され得る。フレキシブル基板６２は、モノリシック単層６４を支持しており、モノリシック単層６４は、本発明により製造された機械デバイスおよび／または電子デバイスと機械デバイス、および／またはＭＥＭＳデバイス６７のアレイを含む。本発明は、図１８に示すようなリボン状のフレキシブル基板６２の表面上のモノリシック層内にこれらのデバイスを形成することを可能にする。特に本発明によると、これらのデバイスを、室温でかつ通常雰囲気でのレーザ処理により形成することができ、したがって支持層であるフレキシブル基板６２を過熱してダメージを与える可能性がない。
【００６７】
図１９は、本発明によって形成された、機械および電子デバイス７０を有するモノリシック層が形成されたファブリック材料基板６８を示す。本発明は、モノリシック層が形成されたファブリック材料基板６８のようなアセンブリの形成を可能にする。特に本発明によると、周囲の材料の表面温度を大幅に高めることなくアセンブリを形成することができ、したがって周囲の材料に熱的ダメージを与える可能性がない。
【００６８】
本発明の方法は、ガラス、プラスチック、可撓性材料、金属箔、および織物を含む群から選択された材料により形成された低温基板上に、機械特性に関して選択的かつ制御可能に変更可能な結晶性を有する出発材料から、機械デバイスを形成する方法であって、上記機械デバイスが（ａ）所定の構造を含み、（ｂ）上記所定の構造内に、完成デバイスによる予め選択された機械的タスクの実行にとって所望の機械特性のセットを含み、上記方法が、上記選択された材料により形成された低温基板を処理ゾーンに配置する工程と、上記低温基板上に上記出発材料から形成される材料本体を、薄膜層形成処理により形成する工程と、上記本体内において、（ａ）所望のデバイス構造を製造する元となるに適しており、かつ、（ｂ）上記所望の機械特性に関する結晶性のセットを内部に確立するに適している３次元領域を選択する工程と、上記処理ゾーン内で、上記選択された３次元領域の結晶性を制御しながら変更し、上記選択された３次元領域に関する機械特性を変更する工程であって、上記制御は下層である上記低温基板に熱的ダメージを与えないように行われ、上記選択された３次元領域において上記所望の機械特性のセットを得る工程とを包含する。
【００６９】
また、本発明の方法は、上記材料本体内において結晶性が変更されたさらなる３次元領域を形成することにより、電子デバイスの少なくとも一部を形成する工程をさらに包含し得る。また、本発明の方法は、上記材料本体は所定の厚みを有する層の形態を取り、上記変更する工程が、上記層の各ゾーンを厚み全体に亘って溶融し再結晶化する工程を含み得る。また、本発明の方法は、上記材料本体は所定の厚みを有する層の形態を取り、上記変更する工程が、上記層の各ゾーンを厚みの一部に亘って溶融し再結晶化する工程を含み得る。また、上記変更する工程が、上記３次元領域内の異なるゾーンを識別し区別するように行われ、上記識別され区別されたゾーンが、上記変更する工程の後に、異なる内部特性を有し得る。また、上記変更する工程が、上記材料本体の表面に向けられた制御されたエネルギービームによって行われ得る。また、上記制御されたエネルギービームが、レーザビームの形態を取り得る。また、上記変更する工程を行う間、上記エネルギービームが上記本体に入射する位置が、上記材料本体の上記表面に亘って移動し得る。また、上記変更する工程が、上記材料本体の互いに反対側の表面に向けられた１対の制御されたエネルギービームによって行われ得る。また、上記制御されたエネルギービームが、レーザビームの形態を取り得る。上記変更する工程を行う間、上記エネルギービームが上記本体に入射する位置が、上記材料本体の上記互いに反対側の表面に亘って移動し得る。また、上記結晶性を制御しながら変更する工程が、内部粒径の拡大を引き起こし得る。また、上記材料本体は所定の厚みを有する層の形態を取り、上記変更する工程が、上記層の各ゾーンを厚み全体に亘って溶融し再結晶化する工程を含み得る。また、上記材料本体は所定の厚みを有する層の形態を取り、上記変更する工程が、上記層の各ゾーンを厚みの一部に亘って溶融し再結晶化する工程を含み得る。また、上記変更する工程が、上記３次元領域内の異なるゾーンを識別し区別するように行われ、上記識別され区別されたゾーンが、上記変更する工程の後に、異なる内部特性を有し得る。また、上記変更する工程が、上記材料本体の表面に向けられた制御されたエネルギービームによって行われ得る。また、上記制御されたエネルギービームが、レーザビームの形態を取り得る。上記変更する工程を行う間、上記エネルギービームが上記本体に入射する位置が、上記材料本体の上記表面に亘って移動し得る。また、上記変更する工程が、上記材料本体の互いに反対側の表面に向けられた１対の制御されたエネルギービームによって行われ得る。また、上記制御されたエネルギービームが、レーザビームの形態を取り得る。また、上記変更する工程を行う間、上記エネルギービームが上記本体に入射する位置が、上記材料本体の上記互いに反対側の表面に亘って移動し得る。また、上記結晶性を制御しながら変更する工程が、内部粒径の拡大を引き起こし得る。
【００７０】
【発明の効果】
本発明は複雑かつ高度なマルチデバイスアレイの、実質的に限度のない垂直方向の積層および多層化を可能にし、多数のデバイスの、非常に複雑であるが非常に容易かつ安価に製造されるモノリシックアレイの製造および使用を可能にする。このようなデバイスは容易に相互接続されて、従来の構成、方法、システムでは実現しなかった超小型の機械、電子、および電子機械（ＭＥＭＳ）構造を形成し得る。
【００７１】
本発明は、機械デバイスと電子機械デバイスとの両方を、連続した単一の材料層内に含むモノリシックアレイを製造する非常に新規な方法を提供する。具体的には、本発明によると、２つの異なる機能を有し、領域によって適切に区別された異なる種類のデバイスを、シームレスに、革新的に、そして実質的に同時に製造することが可能となる。さらに、「概して」同様のデバイス（機械デバイスと電子デバイス）が、所望であれば、具体的に異なる機能を有するようにすることが容易にできる。
【００７２】
この画期的な製造能力を得るために行われる全制御は、少なくとも内部材料動作特性を考慮するように、処理用照射ビームなどが、ビームが入射する材料層の各領域にアドレスする方法に対して実質的に純粋に「変調された」制御である。
【００７３】
本発明によれば、ガラス、石英、プラスチック、フレックス材料、金属箔、ファブリック（織物）などの材料から形成された低温基板上に、室温でのレーザ処理により機械デバイス、または機械デバイスと電子デバイスとの組み合わせを形成することが出来る。
【００７４】
本発明の実施形態および様式を例示し記載してきたが、本発明の意図から逸脱することなく、変更および改変が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による、単一またはアレイ状の機械デバイスおよび電子デバイスを製造する方法を実行するシステムの模式的ブロック図である。
【図２】図２は、本発明による、機械デバイスおよび電子デバイスを製造する方法を示し、材料層の厚み全体に亘る、片面からの内部結晶化レーザ処理を示す。
【図３】図３は、本発明による、機械デバイスおよび電子デバイスを製造する方法を示し、材料層の厚み全体に亘る、両面からの内部結晶化レーザ処理を示す。
【図４】図４は、本発明による、機械デバイスおよび電子デバイスを製造する方法を示し、材料層の厚み全体に亘る、図２の方法とは逆の片面からの内部結晶化レーザ処理を示す。
【図５】図５は、本発明による、機械デバイスおよび電子デバイスを製造する方法を示し、材料層の厚みの一部に亘る、片面からの内部結晶化レーザ処理を示す。
【図６】図６は、本発明による、機械デバイスおよび電子デバイスを製造する方法を示し、図２〜図５で用いたレーザビームに加えて別の照射源からの広領域照射光を用いてシリコン層を上面から照射する処理を示す。
【図７】図７は、本発明による、機械デバイスおよび電子デバイスを製造する方法を示し、相対的に平行移動するレーザビームをシリコン層の上面に照射し、（レーザ光源または他の光源からの）下から入射する広領域照射光を、照射光に対して不透過性の材料で形成されたシリコン層支持層の底面に照射する処理を示す。
【図８】図８は、本発明による、機械デバイスおよび電子デバイスを製造する方法を示し、相対的に平行移動するレーザビームをシリコン層の上面に照射し、下から入射する広領域照射光を、照射光に対して透過性でありシリコン層を支持するガラス基板の底面に照射する処理を示す。
【図９】図９は、本発明によって形成された機械デバイスとしての整形マイクロ片持ち梁の断面図である。
【図１０】図１０は、図９に示す整形マイクロ片持ち梁の平面図である。
【図１１】図１１は、機械デバイスとしての単体マイクロ片持ち梁を単独で示す図であり、黒いパッチ部分は、機械的イベント、化学的イベント、生物学的イベントなどを検出するために増感された梁を示し、図１１はさらに、機械デバイスとしてのマイクロ片持ち梁内にいかにしてトランジスタなどの電子デバイスが形成され得るかを模式的に示す。
【図１２】図１２は、本発明による、バルク材料の厚み全体に亘る、片面からの内部結晶化処理を示す。
【図１３】図１３は、本発明による、バルク材料の厚みの一部に亘る、片面からの内部結晶化処理を示す。
【図１４】図１４は、本発明による別の内部結晶化処理を示し、図示する材料から得られる最終生成内部結晶性を特徴づけるために単結晶シードを用いる処理を示す。
【図１５】図１５は、本発明によって形成された、複数の機械デバイスを有する概して平面状の単体モノリシックアレイの模式的部分斜視図である。
【図１６】図１６は、本発明によって形成された、機械デバイスと電子デバイスとの両方を有するモノリシック単層アレイの模式的部分斜視図である。
【図１７】図１７は、本発明により構成され積層された機械デバイスと電子デバイスとの組み合わせの２層のモノリシックアレイの部分的斜視図である。
【図１８】図１８は、本発明による、フレックス材料基板上にデバイスを設けたアセンブリの一部を示す図である。
【図１９】図１９は、本発明による、ファブリック基板上にデバイスを設けたアセンブリの一部を示す図である。
【符号の説明】
２０　システム
２２　コンピュータ
２４　レーザ処理コントローラ
２６　レーザビーム
２８　処理材料層
３０　下地基板
３２　被駆動ステージ
３６　アルゴリズム
【図１】
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【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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