(57)【要約】マイクロメートルサイズの光学デバイスを基板の表面から繰り返し可能で急速に移動できるマイクロメートルサイズのシングルステージの縦型熱アクチュエータ。縦型熱アクチュエータは基板の表面に構成される。少なくとも１つの高温アームは、表面に固定された第１端と表面の上方に配置された自由端とを有する。低温アームは、表面に固定された第１端と、自由端とを有する。低温アームは、表面に対して高温アームの上方に配置される。少なくとも高温アームに電流が印加されるときに部材が基板から離れて移動するように、部材は高温および低温アームの自由端を機械的かつ電気的に結合する。高温アームは、低温アームの熱膨張を最小にするために、任意に接地タブを含むことができる。
2004516150.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面に設けられる縦型熱アクチュエータであって、
前記表面に固定された第１端と前記表面の上方に配置された自由端とを有する少なくとも１つの高温アームと、
前記表面に固定された第１端と、自由端とを有する低温アームであって、前記表面に対して前記高温アームの上方に配置される低温アームと、
前記高温および低温アームの自由端を機械的かつ電気的に結合する部材であって、少なくとも前記高温アームに電流が印加されるときに該部材が前記基板から離れて移動するようにする部材と、を備えるアクチュエータ。
【請求項２】
前記高温アームを前記基板に電気的に結合する接地タブを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記低温アームが前記高温アームから電気的に絶縁される、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記高温アームと前記低温アームとが、電流が通過する回路を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記低温アームが前記高温アームの直上に配置される、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記高温アームの前記第１端が、前記低温アームの前記第１端に隣接して前記基板に取り付けられる、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記高温アームの前記第１端が、前記低温アームの前記第１端に対しオフセットして前記基板に取り付けられる、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記低温アームに沿って延在する金属層を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記少なくとも１つの高温アームが、前記表面に固定された第１端と前記表面の上方に配置された自由端とを各々に有する２つの高温アームを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
複数の縦型熱アクチュエータを前記基板上に備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記縦型熱アクチュエータに機械的に結合された少なくとも１つの光学デバイスを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記光学デバイスがリフレクタ、レンズ、偏光子、導波管、シャッタまたは遮断構造体の１つを備える、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
少なくとも１つの光学デバイスを含む光通信システムを備える、請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
前記低温ビームに形成された少なくとも１つの導波管を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
基板の表面に設けられる縦型熱アクチュエータであって、
前記表面に固定された第１端と前記表面の上方に配置された自由端とを有する第１ビームと、
前記表面に固定された第１端と前記表面の上方に配置された自由端とを有する第２ビームと、
前記第１ビームの自由端を前記第２ビームの自由端に電気的かつ機械的に結合する部材と、
前記表面に固定された第１端と前記部材に機械的に結合された自由端とを有する第３ビームであって、前記表面に対して前記第１および第２ビームの上方に配置される第３ビームと、
前記第１および第２ビームの前記第１端にそれぞれ電気的に結合された第１および第２の電気接点であって、該第１および第２の接点に供給される電流が、前記第１および第２ビームの熱膨張を引き起こすとともに、前記基板から離れる前記部材の円弧移動を引き起こすようにする第１および第２の電気接点と、を備えるアクチュエータ。
【請求項１６】
前記第１および第２ビームを前記基板に電気的に結合する接地タブを備える、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記第１および第２ビームが、電流が通過する回路を備える、請求項１５に記載の装置。
【請求項１８】
前記第３ビームが、前記第１および第２ビームの略上方に配置される、請求項１５に記載の装置。
【請求項１９】
前記第２ビームに沿って延在する金属層を備える、請求項１５に記載の装置。
【請求項２０】
前記第１、第２および第３ビームの前記第１端が隣接している、請求項１５に記載の装置。
【請求項２１】
前記第１および第２ビームの前記第１端が、前記第３ビームの前記第１端よりも前記部材に近い、請求項１５に記載の装置。
【請求項２２】
前記第１および第２ビームの前記第１端が、前記第３ビームの前記第１端よりも前記部材から遠い、請求項１５に記載の装置。
【請求項２３】
前記第１ビームの前記第１端が、前記第３ビームの前記第１端よりも前記部材に近く、前記第２ビームの前記第１端が、前記第３ビームの前記第１端よりも前記部材から遠い、請求項１５に記載の装置。
【請求項２４】
前記第３ビームの前記第１端が前記基板から電気的に絶縁される、請求項１５に記載の装置。
【請求項２５】
前記第１および第２ビームが、非励起形態において前記第１の表面に対し略平行である、請求項１５に記載の装置。
【請求項２６】
励起形態において前記第１および第２の電気接点に印加される電流を備え、それにより、前記第１および第２ビームが前記基板の表面から離れる上方に曲げられる、請求項１５に記載の装置。
【請求項２７】
前記第１および第２ビームにおける前記電流の少なくとも一部が前記第３ビームを通過する、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記第１および第２ビームがポリシリコンを含む、請求項１５に記載の装置。
【請求項２９】
前記第１、第２および第３ビームの少なくとも１つに沿って延在する金属層を備える、請求項１５に記載の装置。
【請求項３０】
前記第１および第２ビームが、非励起形態において前記表面に対し鋭角を成す、請求項１５に記載の装置。
【請求項３１】
前記第３ビームが、非励起形態において前記表面に対し略平行である、請求項１５に記載の装置。
【請求項３２】
１つ以上の自由端が、前記基板の表面の上方に前記部材を支持するディンプルを備える、請求項１５に記載の装置。
【請求項３３】
前記第３ビームに形成された導波管を備える、請求項１５に記載の装置。
【請求項３４】
前記基板上に設けられる複数の縦型熱アクチュエータを備える、請求項１５に記載の装置。
【請求項３５】
前記縦型熱アクチュエータに機械的に結合された少なくとも１つの光学デバイスを備える、請求項１５に記載の装置。
【請求項３６】
前記光学デバイスが、リフレクタ、レンズ、偏光子、導波管、シャッタまたは遮断構造体の１つを備える、請求項３５に記載の装置。
【請求項３７】
少なくとも１つの光学デバイスを含む光通信システムを備える、請求項３５に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、一般的にマイクロメカニカルデバイス、より詳細には、マイクロメートルサイズのデバイスを基板の表面から繰り返し可能で急速に移動できるマイクロメートルサイズのシングルステージの縦型熱アクチュエータに関する。
【０００２】
複雑なマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）およびマイクロオプティカルエレクトロメカニカルシステム（ＭＯＥＭＳ）デバイスの製作は、マイクロメカニカルデバイス技術の重要な進歩を示している。現在、例えばヒンジ、シャッタ、レンズ、ミラー、スイッチ、偏光デバイス、およびアクチュエータのような、多くのマクロスケールデバイスのマイクロメートルサイズの類似物が製造されている。例えば、これらのデバイスは、Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｔｒｉａｎｇｌｅ  Ｐａｒｋ，Ｎｏｒｔｈ  Ｃａｒｏｌｉｎａに位置するＣｒｏｎｏｓ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓから入手可能なＭｕｌｔｉ−ｕｓｅｒ  ＭＥＭＳ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（ＭＵＭＰ）を用いて製作できる。ＭＥＭＳおよびＭＯＥＭＳデバイスの用途には、例えば、データ記憶デバイス、レーザスキャナ、プリンタヘッド、磁気ヘッド、マイクロスペクトロメータ、加速度計、走査型プローブ顕微鏡、近接場光学顕微鏡、光学スキャナ、光学モジュレータ、マイクロレンズ、光学スイッチ、およびマイクロロボット工学が含まれる。
【０００３】
ＭＥＭＳまたはＭＯＥＭＳデバイスを形成する一方法は、基板上の適切な位置にデバイスをパターン化することを含む。パターン化されるとき、デバイスは基板の上部に平坦に位置する。例えば、ヒンジ構造体またはリフレクタデバイスのヒンジプレートの両方は、ＭＵＭＰ加工を用いて基板の表面と略同一平面に形成される。これらのデバイスを利用する１つの挑戦は基板の面からデバイスを移動することである。
【０００４】
アクチュエータとマイクロメカニカルデバイスとを結合することによって、これらのデバイスの基板面からの移動が可能になる。この目的のために、静電、圧電、熱および磁気を含む種々のタイプのアクチュエータが使用されてきた。
【０００５】
このようなアクチュエータの１つは、Ｃｏｗａｎらによって「Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｃｔｕａｔｏｒ  ｆｏｒ  Ｍｉｃｒｏ−Ｏｐｔｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ」，ｖ．３２２６，ＳＰＩＥ，ｐｐ．１３７−４６（１９９７）に記載されている。図１に示したＣｏｗａｎらのアクチュエータ２０は、熱膨張を誘発するために抵抗加熱を利用する。高温アーム２２は片持ちアーム２４よりも高いので、熱膨張により、アクチュエータ先端２６が基板２８の表面に向かって駆動される。電流が十分に高いと、アクチュエータ先端２６の下方の反りは基板２８との接触によって止められ、高温アーム２２は上方に曲がる。駆動電流を取り除くと、高温アーム２２は、曲げ形状で急速に「フリーズし」また収縮し、図２に示したようにアクチュエータティップ２６を上方に引っ張る。
【０００６】
高温アーム２２の変形は永久的であり、またアクチュエータティップ２６は、力を加えることなく上方に反ったままであり、後方に曲がった（ｂａｃｋｂｅｎｔ）アクチュエータ３２を形成する。駆動電流をさらに加えると、後方に曲がったアクチュエータ３２は、基板２８の表面に向かって方向３０に回転させられる。図２の後方に曲がったアクチュエータ３２は、セットアップまたは一回の位置決め用途のために典型的に使用される。Ｃｏｗａｎらに記載されているアクチュエータは、単一の作動ステップで面からヒンジ結合プレートを略４５°より大きく回転できない、または持ち上げることができないという点で限定されている。
【０００７】
Ｈａｒｓｈらの「Ｆｌｉｐ  Ｃｈｉｐ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ  ｆｏｒ  Ｓｉ−Ｂａｓｅｄ  Ｒｆ  ＭＥＭＳ」Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｔｗｅｌｆｔｈ  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，ＩＥＥＥ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  １９９９，ａｔ  ２７３−２７８、Ｈａｒｓｈらの「Ｔｈｅ  Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｄｅｓｉｇｎ  Ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  ａ  Ｆｌｉｐ−Ｃｈｉｐ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ＭＥＭＳ  Ｔｕｎａｂｌｅ  Ｃａｐａｃｉｔｏｒ」８０  Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  １０８−１１８（２０００）、およびＦｅｎｇらの「ＭＥＭＳ−Ｂａｓｅｄ  Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｃａｐａｃｉｔｏｒ  ｆｏｒ  Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ−Ｗａｖｅ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，Ｈｉｌｔｏｎ  Ｈｅａｄ  Ｉｓｌａｎｄ，Ｓｏｕｔｈ  Ｃａｒｏｌｉｎａ  ２０００，ａｔ  ２５５−２５８は、フリップチップ設計をベースとする様々な垂直アクチュエータを開示している。通常のリリースエッチングステップの間、ベース酸化物層は部分的に溶解され、残りのＭＥＭＳ成分は解放される。次に、セラミック基板は、ＭＥＭＳデバイスの露出表面に接合され、またベース酸化物層のエッチング（すなわちフリップチップ加工）を完了することによってベースポリシリコン層が取り除かれる。ポリシリコン基板を完全に含まない、結果として得られるデバイスはキャパシタであり、その上部プレートは、セラミック基板上の対向プレートに向かって制御可能に下方に移動される。ポリシリコン層の浮遊容量効果はデバイスの動作に少なくとも干渉するため、デバイスはポリシリコン基板から取り除かれる。
【０００８】
略４５°よりも大きいリフト角度はデュアルステージアクチュエータシステムにより達成可能である。デュアルステージアクチュエータシステムは垂直アクチュエータおよびモータから典型的に構成される。垂直アクチュエータは、ヒンジ結合のマイクロメカニカルデバイスを基板から略４５°以下の最大角度に持ち上げる。マイクロメカニカルデバイスのリフトアームに接続された駆動アームを有するモータが、リフトを完了する。このようなデュアルステージ組立システムの１つは、Ｒｅｉｄらによって「Ａｕｔｏｍａｔｅｄ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ  ｏｆ  Ｆｌｉｐ−Ｕｐ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒｓ」，Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ’９７，Ｉｎｔ’ｌ  Ｃｏｎｆ．Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，ｐｐ．３４７−５０（１９９７）に開示されている。これらのデュアルステージアクチュエータはセットアップまたは一回の位置決め用途のために典型的に使用される。
【０００９】
デュアルステージアクチュエータシステムは複雑であり、信頼性を低減し、またＭＥＭＳおよびＭＯＥＭＳデバイスを収容するチップのコストを増加させる。したがって、マイクロメートルサイズのデバイスを基板の表面から繰り返し可能で急速に移動できるマイクロメートルサイズの縦型熱アクチュエータの必要性がある。
【００１０】
本発明は、マイクロメートルサイズの光学デバイスを基板の表面から繰り返し可能で急速に移動できるマイクロメートルサイズの縦型熱アクチュエータを目的とする。
【００１１】
縦型熱アクチュエータは基板の表面に構成される。少なくとも１つの高温アームは、表面に固定された第１端と表面の上方に配置された自由端とを有する。低温アームは、表面に固定された第１端と、自由端とを有する。低温アームは、表面に対して高温アームの上方に配置される。少なくとも１つの高温アームに電流が印加されるときに部材が基板から離れて移動するように、部材は高温および低温アームの自由端を機械的かつ電気的に結合する。
【００１２】
一実施形態では、高温アームおよび低温アームは、電流が通過する回路を備える。他の実施形態では、接地タブは高温アームを基板に電気的に結合する。接地タブに関する実施形態では、低温アームを任意に高温アームから電気的に絶縁することができる。
【００１３】
１つ以上の自由端は、部材を基板表面の上方に支持するディンプルを任意に含む。低温アームは、高温アームの上方に直接配置することができる。高温アームの第１端は、低温アームの第１端に隣接して、あるいは低温アームの第１端からオフセットして基板に取り付けることができる。金属層は低温アームに沿って任意に延在する。一実施形態では、少なくとも１つの高温アームは、表面に固定された第１端と表面の上方に配置された自由端とを各々が有する２つの高温アームを備える。
【００１４】
他の実施形態では、縦型熱アクチュエータは、表面に固定された第１端と表面の上方に配置された自由端とを有する第１ビームを有する。第２ビームは、表面に固定された第１端と表面の上方に配置された自由端とを有する。部材は、第１ビームの自由端を第２ビームの自由端に電気的かつ機械的に結合する。第３ビームは、表面に固定された第１端と部材に機械的に結合された自由端とを有する。第３ビームは、表面に対して第１および第２ビームの上方に配置される。第１および第２の電気接点は、第１および第２の接点に供給される電流が前記第１および第２ビームの熱膨張を引き起こし、かつ前記基板からの前記部材の円弧移動を引き起こすように、前記第１および第２ビームの第１端にそれぞれ電気的に結合される。
【００１５】
一実施形態では、第３ビームは第１および第２ビームの概して上方に配置される。第３ビームは任意に金属層を含み得る。第１および第２ビームは、非励起形態において第１の表面に対して略平行である。第１および第２ビームが基板の表面から離れて上方に曲げられるように、励起形態において第１および第２の電気接点に電流が印加される。
【００１６】
一実施形態では、第３ビームの第１端は基板から電気的に絶縁される。他の実施形態では、第１および第２ビーム内の電流の少なくとも一部は第３ビームを通過する。第１および第２ビームは、接地タブによって任意に基板に電気的に結合することができる。
【００１７】
複数の縦型熱アクチュエータを単一の基板に形成することができる。少なくとも１つの光学デバイスを縦型熱アクチュエータに機械的に結合することができる。光学デバイスは、リフレクタ、レンズ、偏光子、導波管、シャッタ、または遮断構造体の１つを備える。光学デバイスは光通信システムの部分であり得る。他の実施形態では、導波管は第２ビームに形成される。導波管は、マイクロエレクトロメカニカルシステム加工を用いて第２ビームに一体形成されることが好ましい。
【００１８】
本発明は、マイクロメカニカルデバイス用のシングルステージ縦型熱アクチュエータに関する。マイクロメートルサイズのシングルステージ縦型熱アクチュエータは、マイクロメートルサイズのデバイスを基板の表面から繰り返し可能で急速に移動できる。
【００１９】
本明細書に使用されているように、「マイクロメカニカルデバイス」とは、マイクロメートルサイズのメカニカル、オプトメカニカル、エレクトロメカニカル、またはオプトエレクトロメカニカルデバイスを指す。Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｔｒｉａｎｇｌｅ  Ｐａｒｋ，Ｎｏｒｔｈ  Ｃａｒｏｌｉｎａに位置するＣｒｏｎｏｓ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓからのＭｕｌｔｉ−Ｕｓｅｒ  ＭＥＭＳ  Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ（ＭＵＭＰｓ）を用いて、マイクロメカニカルデバイスを製作するための様々な技術が利用可能である。Ｃｒｏｎｏｓ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓから入手可能な「ＭＵＭＰ  Ｄｅｓｉｇｎ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ」，改訂版５．０（２０００）に、組立手順の１つの説明が記載されている。
【００２０】
マイクロエレクトロメカニカルまたはマイクロメカニカルデバイスを製造するために、ポリシリコン表面のミクロ機械加工は、集積回路（ＩＣ）産業に公知の平面製作加工ステップを採用している。ポリシリコン表面をミクロ機械加工するための標準的なビルディングブロック加工は、低応力の多結晶シリコン（ポリシリコンとも呼ばれる）および犠牲材料（例えば二酸化ケイ素またはケイ酸塩ガラス）の交互層を蒸着することおよびフォトリソグラフィックパターニングすることである。犠牲層を通して所定の位置にエッチングされる貫通孔により、基板へのアンカ点、およびポリシリコン層の間の機械的かつ電気的な相互接続部が提供される。デバイスの機能素子は、一連の蒸着およびパターニング加工ステップを用いて一層ずつ構築される。デバイス構造体の完成後、ポリシリコン層をほとんど攻撃しないフッ化水素酸（ＨＦ）のような選択的なエッチング剤を用いて犠牲材料を除去することによって、デバイス構造体を移動のために解放できる。
【００２１】
その結果、電気相互接続部および／または電圧基準面を提供する第１のポリシリコン層と、簡単な片持ちビームから複雑なエレクトロメカニカルシステムの範囲にわたる機能素子を形成するために使用できる追加のメカニカルポリシリコン層とから一般的に構成される構造システムが得られる。構造全体は基板と面一に配置される。本明細書に使用されているように、「面一」という用語は、基板の表面に対し略平行の構造を指し、また「面一でない」という用語は、基板の表面に対して０°〜約９０°よりも大きな構造を指す。
【００２２】
機能素子の典型的な面一の横方向寸法は１マイクロメートル〜数百マイクロメートルの範囲にあることができ、一方、層厚は典型的に約１〜２マイクロメートルである。プロセス全体は標準的なＩＣ製作技術をベースとするので、部片部分を組み立てる必要はなく、完全組立の多数のデバイスをシリコン基板にバッチ製作できる。
【００２３】
図３〜図６は、本発明に従って曲げが制御される縦型熱アクチュエータ５０の第１の実施形態を示している。本明細書に使用されているように、「縦型熱アクチュエータ」とは、面一の位置と面一でない位置との間で光学デバイスを繰り返し可能に移動できるマイクロメカニカルデバイスを指す。縦型熱アクチュエータ５０は、窒化シリコン層５６が蒸着されたシリコンウェハ５４を一般的に備える基板５２の表面に面一に配置される。アクチュエータ５０は、窒化シリコン層５６に配置された第１のポリシリコン層６０を含む。第２のポリシリコン層は、第１および第２のアンカ６４、６６と、アンカ６４、６６からそれぞれ片持ち式に配列された一対のビーム６８、７０とを有するように構成される。
【００２４】
図３に示した実施形態では、アンカ６４、６６は、電流をビーム６８、７０に送るように構成された基板５２に形成された電気接点７６、７８を含む。トレース７６、７８は基板５２のエッジに典型的に延在する。あるいは、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）、ランドグリッドアレイ（ＬＧＡ）、プラスチックリードチップキャリア（ＰＬＣＣ）、ピングリッドアレイ（ＰＧＡ）、エッジカード、スモールアウトライン集積回路（ＳＯＩＣ）、デュアルインラインパッケージ（ＤＩＰ）、クワドフラットパッケージ（ＱＦＰ）、リードレスチップキャリア（ＬＣＣ）、チップスケールパッケージ（ＣＳＰ）のような多様な電気接点デバイスおよび／またはパッケージング方法を用いて、電流をビーム６８、７０に供給できる。
【００２５】
ビーム６８、７０はそれらのそれぞれの自由端７１、７３で部材７２によって電気的かつ機械的に結合され、電気回路を形成する。別の実施形態では、ビーム６８、７０は接地タブ７７に電気的に結合される。接地タブ７７は、非励起形態（図４参照）および励起形態（図７参照）の両方において、ビーム６８、７０を基板５２の電気接点７９に電気的に結合する。接地タブ７７は、基板５２との接触を維持するように構成される可撓性部材またはばね部材であり得る。接地タブは、本明細書に開示された実施形態の任意のものに使用することができる。
【００２６】
ビーム６８、７０は、部材７２が基板５２の上方に配置されるように第１の層６０から物理的に分離される。１つ以上のディンプル７４を部材７２に任意に形成して、ビーム６８、７０を基板５２の上方に支持し得る。別の実施形態では、ディンプルまたはバンプ７４を基板５２に形成することができる。図４に示した非励起形態では、ビーム６８、７０は、基板５２の表面に対し略平行である。本明細書に使用されているように、「非励起形態」とは、ビーム６８、部材７２およびビーム７０によって形成される回路を電流がほとんど通過しない状態を指す。
【００２７】
第３のポリシリコン層８０は、アンカ６４、６６の近くの基板５２に取り付けられたアンカ８２で構成される。第３の層８０は、アンカ８２から片持ちにされる上方ビーム８４を形成し、自由端８３はビーム６８、７０の上方の部材７２に機械的に結合される。一実施形態では、金属層は上方ビーム８４に任意に適用される。
【００２８】
貫通孔８８は部材７２および／または自由端８３に形成されて、上方ビーム８４の自由端８３を部材７２に機械的に結合する。他の構造体を使用して、上方ビーム８４を部材７２に機械的に結合してもよい。上方ビーム８４は、非励起形態における基板５２の表面に対し略平行である。
【００２９】
図７は、面一でない構造または励起形態における図３〜図６の縦型熱アクチュエータ５０の側面図である。「励起形態」とは、１つ以上のビームに電流を印加することを指す。例示した実施形態では、ビーム６８、部材７２、およびビーム７０によって形成される回路に電流が印加される（図３参照）。ビーム６８、７０は「高温アーム」であり、ビーム８４は低温アームである。本明細書に使用されているように、１つまたは複数の「高温アーム」とは、電圧が印加されたときに１つまたは複数の低温アームよりも高い電流密度を有するビームまたは部材を指す。１つまたは複数の「低温アーム」とは、電圧が印加されたときに１つまたは複数の高温アームよりも低い電流密度を有するビームまたは部材を指す。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の低温アームの電流密度は０である。したがって、高温アームは低温アームよりも大きな熱膨張を有する。
【００３０】
高温アーム６８、７０は電流によって加熱され、方向９０のそれらの長さが増加される。高温アーム６８、７０の膨張は、縦型熱アクチュエータ５０の自由端８３の上方円弧９２の移動を引き起こし、リフト力９４と変位９５とを発生する。しかし、低温アーム８４はアンカ８２に固定され、また高温アーム６８、７０および部材７２によって形成される回路を電流が完全または実質的に通過するように、電気的に絶縁される。
【００３１】
低温アーム８４と高温アーム６８、７０との高さの差の故に、アンカ６４、６６の近くの低温アーム８４にモーメントが及ぼされる。低温アーム８４はその長さに沿って曲がる。高温アーム６８、７０は容易に曲がり、低温アーム８４の運動９２に対しほとんど抵抗を示さない。例示した実施形態では、変位９５は０．５マイクロメートル〜４マイクロメートルであり得る。電流が止まると、縦型熱アクチュエータ５０は、図４に示したその元の非励起形態に戻る。
【００３２】
別の実施形態では、アンカ８２および低温アーム８４は部材７２に電気的に結合される。高温アーム６８、７０を通して流れる電流の少なくとも一部分は、低温アーム８４に沿ってアンカ８２に流れる。高温アーム６８、７０を通して流れる電流のすべてが、低温アーム８４を通して縦型熱アクチュエータ５０を出ることも可能である。低温アーム８４の材料および／または形状は、同一の電圧が印加された場合でも、高温アーム６８、７０よりも低い電流密度を有するように構成される。一実施形態では、低温アーム８４は、高温アーム６８、７０の線形熱膨張係数よりも小さな線形熱膨張係数を有する材料から形成される。さらに他の実施形態では、低温アーム８４の断面積をより大きくすることによって、その電気抵抗率はより低くなるようにされる。他の実施形態では、導電層が低温アーム８４に設けられる。適切な導電性材料は、アルミニウム、銅、タングステン、金、または銀のような金属と、半導体と、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリＥＤＯＴおよびそれらの誘導体または組合せのようなドープされた有機導電性ポリマとを含む。したがって、高温アーム６８、７０の正味の膨張は低温アーム８４の膨張よりも大きい。
【００３３】
他の別の実施形態では、高温アーム６８、７０を通して流れる電流のすべてまたは一部は、接地タブ７７を通して基板５２に流れる。縦型熱アクチュエータ５０が非作動位置から図７に示した作動位置に移動するとき、接地タブ７７は基板５２との物理的接触を維持する。
【００３４】
図８は、アンカ８２’およびビーム８４’が部材７２’から電気的に絶縁されない縦型熱アクチュエータ５０’を示している。電流は、矢印９６’の方向にビーム６８’、７０’から部材７２’を通して、ビーム８４’に沿ってアンカ８２’に環流する。ビーム８４’の材料および／または形状は、ビーム６８’、７０’よりも低い電流密度をビーム８４’が受けるように制御される。一実施形態では、ビーム８４’は、ビーム６８’、７０’の線形熱膨張係数よりも小さな線形熱膨張係数を有する材料から形成される。さらに他の実施形態では、ビーム８４’の断面積をより大きくすることによって、その電気抵抗率はより低くなるようにされる。他の実施形態では、導電層９８’がビーム８４’に設けられる。したがって、ビーム６８’、７０’の正味の膨張はビーム８４’の膨張よりも大きい。適切な導電性材料は、アルミニウム、銅、タングステン、金、または銀のような金属と、半導体と、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリＥＤＯＴおよびそれらの誘導体または組合せのようなドープされた有機導電性ポリマとを含む。
【００３５】
図９は、ビーム２１４用のアンカ２１２よりも部材２１０からより遠くに配置されたビーム２０６、２０８用の第１および第２のアンカ２０２、２０４を有する別の縦型熱アクチュエータ２００を示している。図９の縦型熱アクチュエータ２００は、総変位を低減しつつより大きなリフト力を提供する。
【００３６】
図１０は、ビーム２３４用のアンカ２３２よりも部材２３０のより近くに配置されたビーム２２６、２２８用の第１および第２のアンカ２２２、２２４を有する別の縦型熱アクチュエータ２２０を示している。図１０の縦型熱アクチュエータ２２０は、総リフト力を低減しつつより大きな変位を提供する。
【００３７】
図１１は、ビーム２５４用のアンカ２５２よりも部材２５０からより遠いビーム２４６用の第１のアンカ２４２を有する別の縦型熱アクチュエータ２４０を示している。ビーム２４８用の第２のアンカ２４４はアンカ２５２よりも部材２５０の近くに配置される。ビーム２４６、２４８の熱膨張は、電流がビーム２４６、２４８に印加されたときに正味のリフト力が発生されるように、ビーム２５４の膨張よりもなお大きい。ビーム２４６、２４８の単位長さ当たりの膨張が同一であると仮定すると、ビーム２４６の正味の拡張はビーム２４８の拡張よりも大きい。したがって、縦型熱アクチュエータ２４０は撚り運動により基板から上昇し、方向２５６の部材２５０の横方向の変位を引き起こす。
【００３８】
図１２と１３は、本発明による２つのビーム２６２、２６４を有する縦型熱アクチュエータ２６０を示している。ビーム２６２、２６４は、アンカ２６６から基板２６８の上方に片持ちばり式に延在している。ビーム２６２、２６４の自由端２７０、２７２は、部材２７４で機械的かつ電気的にそれぞれ結合される。一実施形態では、低温アームまたはビーム２６２、部材２７４および高温アームまたはビーム２６４は回路を形成する。
【００３９】
低温アーム２６２の材料および／または形状は、高温アーム２６４よりも低い電流密度を前記低温アームが受けるように制御される。一実施形態では、低温アーム２６２は、高温アーム２６４の線形熱膨張係数よりも小さな線形熱膨張係数を有する材料から形成される。さらに他の実施形態では、低温アーム２６２の断面積をより大きくすることによって、あるいは導電層２７６を設けることによって、低温アームの電気抵抗率はより低くなるようにされる。したがって、高温アーム２６４の正味の膨張は低温アーム２６２の膨張よりも大きい。電流がビーム２６２、２６４に印加されるとき、縦型熱アクチュエータ２６０は方向２７８に上方に曲がり、リフト力２８０を発生する。
【００４０】
他の実施形態では、接地タブ２７３は高温アーム２６４を基板２６８に電気的に結合する。接地タブ２７３は、基板２６８との電気結合が作動状態（概して図７参照）に維持されるように、可撓性であるか、あるいはばね部材であることが好ましい。したがって、低温アーム２６２を流れる電流は小さくなり（あるいは電流なし）、これによって縦型熱アクチュエータ２６０の総変位を増加させる。
【００４１】
図１４は、図１３に示したような、低温アームまたはビーム２９２が高温アームまたはビーム２９４の概して上方に配置された縦型熱アクチュエータ２９０の側面図である。低温アーム２９２はアンカ２９８によって基板２９６に取り付けられる。高温アーム２９４はアンカ３００によって基板２９６に取り付けられる。一実施形態では、ビーム２９２、２９４は部材３０２で電気的かつ機械的に結合される。アンカ２９８をアンカ３００よりも部材３０２からより遠くに配置することによって、図１４の縦型熱アクチュエータ２９０は、方向３０４により大きく変位できるが、発生されるリフト力は低くなる。別の実施形態では、高温アーム２９４は、図１３について説明したような接地タブによって基板に電気的に結合することができる。
【００４２】
図１５〜図１７は、本発明による低温アームまたはビーム３１６に導波管３１４が取り付けられた、図３に示したような縦型熱アクチュエータ３１２を使用する光学スイッチ３１０を示している。導波管３１４は、製作プロセスの部分として形成するか、あるいは光ファイバのような別個の構成要素として加えることができる。導波管３１４は、熱膨張をほとんどまたは全く受けないので、低温アーム３１６に有効に配置できる。低温アーム３１６は、高温アーム３２４、３２６から電気的に絶縁されることが好ましい。
【００４３】
図１６に最善に示されているように、縦型熱アクチュエータ３１２が非作動または面一構造にあるとき、導波管３１４は隣接導波管３１８と光学的に結合される。図１７に示した作動または面一でない構造では、導波管３１４は、他の複数の導波管３２０、３２２の任意のものと整列することができる。したがって、導波管３１４は、縦型熱アクチュエータ３１２に印加される電流を変更することによって、導波管３１８、３２０、３２２の任意のものと選択的に結合することができる。
【００４４】
図１８は、４×４アレイの光学デバイス１５２を利用する光学スイッチ１５０の概略図である。本明細書に使用されているように、「光学デバイス」とは、リフレクタ、レンズ、偏光デバイス、導波管、シャッタ、または遮断デバイスを指す。光学デバイス１５２の各々は、１つ以上の縦型熱アクチュエータに機械的に結合される。面一の位置では、光学デバイス１５２は入力光ファイバ１５４ａ〜１５４ｄの光路内に延在しない。面一でない構造では、光学デバイス１５２は入力光ファイバ１５４ａ〜１５４ｄの光路内に延在する。垂直ミラー１５２のアレイは、縦型熱アクチュエータを選択的に作動することによって、任意の入力ファイバ１５４ａ〜１５４ｄからの光学信号と任意の出力ファイバ１５６ａ〜１５６ｄとの光学的結合を許容するように配列される。
【００４５】
図１８に示した光学スイッチ１５０は例示目的のみのものである。本発明の縦型熱アクチュエータのすべては、オン／オフスイッチ（光学ゲート）、２×２スイッチ、１×ｎスイッチのような種々の光学スイッチアーキテクチャ、または他の種々のアーキテクチャに使用し得る。光学スイッチ１５０は光通信システムの部分であり得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】
後方曲げ前の縦型熱アクチュエータの側面図である。
【図２】
後方曲げ後の図１の縦型熱アクチュエータの側面図である。
【図３】
本発明による縦型熱アクチュエータの平面図である。
【図４】
図３の縦型熱アクチュエータの側面図である。
【図５】
図３の縦型熱アクチュエータの断面図である。
【図６】
図３の縦型熱アクチュエータの断面図である。
【図７】
作動位置における図４の縦型熱アクチュエータの側面図である。
【図８】
本発明による代替の縦型熱アクチュエータの平面図である。
【図９】
本発明による種々のアンカ構造を有する縦型熱アクチュエータの平面図である。
【図１０】
本発明による種々のアンカ構造を有する縦型熱アクチュエータの平面図である。
【図１１】
本発明による種々のアンカ構造を有する縦型熱アクチュエータの平面図である。
【図１２】
本発明による２ビームの縦型熱アクチュエータの平面図である。
【図１３】
図１２の縦型熱アクチュエータの側面図である。
【図１４】
本発明による２ビームの縦型熱アクチュエータの側面図である。
【図１５】
本発明による導波管を含む縦型熱アクチュエータの種々の図面である。
【図１６】
本発明による導波管を含む縦型熱アクチュエータの種々の図面である。
【図１７】
本発明による導波管を含む縦型熱アクチュエータの種々の図面である。
【図１８】
本発明による光学スイッチの概略図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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