(57)【要約】  基板と、基板に形成された自立吊り下げ型電気めっき金属ＭＥＭＳ構造とを含む微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスのシステムおよび方法。自立吊り下げ型電気めっき金属ＭＥＭＳ構造は、基板に機械的に結合された金属機械要素と、機械要素に機械的に結合されて電気的に連通し、高融点金属および高融点金属合金の少なくとも１つを含むシード層とを含み、機械要素の厚さは、シード層の厚さより実質的に厚く、それにより自立吊り下げ型電気めっき金属ＭＥＭＳ構造の機械的および電気的特性は、機械要素の材料特性によって規定される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス（１０）であって、
基板（２４）と、
前記基板（２４）に形成された自立吊り下げ型電気めっき金属ＭＥＭＳ構造（１４）とを含み、前記自立吊り下げ型電気めっき金属ＭＥＭＳ構造（１４）は、
前記基板（２４）に機械的に結合された金属機械要素（１６）と、
前記機械要素（１６）に機械的に結合されて電気的に連通し、高融点金属および高融点金属合金の少なくとも１つを含むシード層（２０）とを含み、
前記機械要素（１６）の厚さは、前記シード層（２０）の厚さより実質的に厚く、それにより前記自立吊り下げ型電気めっき金属ＭＥＭＳ構造（１４）の機械的および電気的特性は、前記機械要素（１６）の材料特性によって規定される、ＭＥＭＳデバイス（１０）。
【請求項２】
前記機械要素（１６）が、ニッケル−タングステン合金からなる、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス（１０）。
【請求項３】
前記シード層（２０）が、前記基板（２４）に面する前記機械要素（１６）の下側（１７）に無傷のまま残される、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス（１０）。
【請求項４】
前記ＭＥＭＳデバイス（１０）が、スイッチであり、前記スイッチが、前記基板（２４）に形成された少なくとも１つの導電性接点（１２）をさらに含み、前記機械要素（１６）が、前記導電性接点（１２）の上に片持ち支持されたビームを含み、
前記シード層（２０）が、前記ビームが接触位置にあるときに前記ビームと前記少なくとも１つの導電性接点（１２）との間にオーム接触を提供する、請求項３に記載のＭＥＭＳデバイス（１０）。
【請求項５】
前記シード層（２０）の前記高融点金属および高融点金属合金の前記少なくとも１つが、０．４Ｖより高い溶融電圧および１８５０℃より高い溶融温度を有する、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス（１０）。
【請求項６】
前機械要素（１６）に機械的に結合された保護層（４０）をさらに含み、前記保護層（４０）が、前記シード層（２０）によって覆われていない前記機械要素（１６）の少なくとも１つの追加の表面に形成される、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス（１０）。
【請求項７】
前記高融点金属および高融点金属合金の前記少なくとも１つが、ルテニウム、タンタル、ニオブ、ロジウム、モリブデン、タングステン、バナジウム、クロム、ジルコニウム、ハフニウム、および／またはそれらの合金を含む、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス（１０）。
【請求項８】
前記高融点金属および高融点金属合金の前記少なくとも１つが、マイクロおよびナノ加工で使用されるエッチング液に耐性を有し、前記エッチング液が、硫酸、フッ化水素酸、緩衝酸化物、過酸化水素およびアルカリ性フォトレジスト現像液の１つまたは複数を含む、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス（１０）。
【請求項９】
前記ＭＥＭＳデバイス（１０）が、慣性センサである、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス（１０）。
【請求項１０】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス（１０）を作製する方法であって、
基板（２４）を設けることと、
前記基板（２４）に自立金属ＭＥＭＳ構造（１４）を形成することとを含み、前記自立金属ＭＥＭＳ構造（１４）を形成することは、
前記基板（２４）の一部に犠牲剥離層（４２）を適用することと、
前記基板（２４）および前記犠牲剥離層（４２）の上に高融点金属および高融点金属合金の少なくとも１つを含むシード金属の層（２０）を適用することと、
前記シード金属の層（２０）の一部にフォトレジスト層を適用することと、
自立構造（１６）を形成するために前記フォトレジスト層によって覆われていない前記シード金属の層（２０）上に金属材料を電気めっきすることと、
前記自立構造（１６）が前記基板（２４）の上に片持ち支持されるように、前記フォトレジスト層、前記犠牲剥離層（４２）、および前記自立構造（１６）と接触していない前記シード金属の層（２０）の一部を除去することとを含み、
前記自立構造（１６）と接触している前記シード金属の層（２０）の一部は、前記フォトレジスト層、前記犠牲剥離層（４２）、および前記自立構造（１６）と接触していない前記シード金属の層（２０）の前記一部の前記除去の後、前記自立構造（１６）の下側（１７）に残る、方法。
【請求項１１】
前記自立構造（１６）の厚さが、前記シード金属の層（２０）の厚さより実質的に厚く、それにより前記自立金属ＭＥＭＳ構造（１４）の機械的および電気的特性が、前記自立構造（１６）の前記電気めっき金属材料によって規定される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記高融点金属および前記高融点金属合金の一方が、ルテニウム、タンタル、ニオブ、ロジウム、モリブデン、タングステン、バナジウム、クロム、ジルコニウム、ハフニウム、および／またはそれらの合金の１つを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記ＭＥＭＳ構造（１４）を形成することが、前記自立構造（１６）の少なくとも１つの追加の側を保護層（４０）で被覆することをさらに含み、前記保護層（４０）が、製造プロセス中に損傷またはエッチングに耐性を有する材料を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記自立構造（１６）の前記少なくとも１つの側を保護層（４０）で被覆することが、前記自立構造（１６）の各露出面（５０）を前記保護層（４０）で被覆することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記シード金属の層（２０）上に前記金属材料を電気めっきすることが、ニッケル−タングステン合金を電気めっきすることを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記犠牲剥離層（４２）を除去することが、硫酸、フッ化水素酸、緩衝酸化物、および過酸化水素の少なくとも１つの適用を介して湿式エッチングを行うことを含み、
前記シード金属の層（２０）が、硫酸、フッ化水素酸、緩衝酸化物、および過酸化水素に、かつアルカリ性フォトレジスト現像液に耐性を有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記基板（２４）に少なくとも１つのＭＥＭＳ接点を含む導電層を形成することをさらに含み、前記シード金属の層（２０）が、前記自立構造（１６）が接触位置にあるときに前記自立構造（１６）と前記少なくとも１つのＭＥＭＳ接点との間のオーム接触として機能し、前記シード金属の層（２０）が、０．４Ｖより高い溶融電圧および１８５０℃より高い溶融温度を有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
ＭＥＭＳデバイス（１０）の自立吊り下げ型金属微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）構造であって、前記金属ＭＥＭＳ構造（１４）は、
基板（２４）の一部に犠牲剥離層（４２）を適用することと、
前記基板（２４）および前記犠牲剥離層（４２）の上に高融点金属のシード層（２０）を適用することと、
前記シード層（２０）の一部にフォトレジスト層を適用することと、
前記シード層（２０）に機械的に結合されて電気的に接続される自立構造（１６）を形成するために前記フォトレジスト層によって覆われていない領域の前記シード層（２０）上に金属材料を電気めっきすることと、
高融点金属の層が前記自立構造（１６）の下側（１７）に残り前記基板（２４）に自立吊り下げ型金属ＭＥＭＳ構造（１４）を集合的に形成するように、前記フォトレジスト層、前記犠牲剥離層（４２）、および前記シード層（２０）の一部を除去することとによって製造される、ＭＥＭＳ構造（１４）。
【請求項１９】
前記自立構造（１６）の前記電気めっき金属材料の厚さが、その前記下側（１７）の前記高融点金属の層の厚さより実質的に厚く、それにより前記自立吊り下げ型電気めっき金属ＭＥＭＳ構造（１４）の機械的および電気的特性が、前記電気めっき金属材料によって規定される、請求項１８に記載のＭＥＭＳ構造（１４）。
【請求項２０】
前記金属ＭＥＭＳ構造（１４）が、前記ＭＥＭＳデバイス（１０）がＭＥＭＳスイッチを含むように前記基板（２４）に導電性接点（１２）を形成することによって製造され、
前記自立構造（１６）の下側（１７）の前記高融点金属の層が、前記自立構造（１６）が接触位置にあるときに前記自立構造（１６）と前記導電性接点（１２）との間にオーム接触を提供する、請求項１８に記載のＭＥＭＳ構造（１４）。
【請求項２１】
前記電気めっき金属材料が、ニッケル−タングステン合金を含み、前記高融点金属が、０．４Ｖより高い溶融電圧および１８５０℃より高い溶融温度を有する材料を含む、請求項１８に記載のＭＥＭＳ構造（１４）。
【請求項２２】
前記金属ＭＥＭＳ構造（１４）が、前記自立構造（１６）の前記下側（１７）以外の前記自立構造（１６）の１つまたは複数の側に保護層（４０）を堆積することによって製造される、請求項１８に記載のＭＥＭＳ構造（１４）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気めっきＭＥＭＳ構造の高融点シード金属に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明の実施形態は、一般に、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスに関し、より具体的には、機械要素が高融点金属からなるシード層上に堆積される電気めっき金属を含む金属ＭＥＭＳデバイスに関する。一実施形態では、シード層は、ＭＥＭＳデバイスがＭＥＭＳスイッチとして構成される実施形態において、機械要素の電気接点として機能するように、機械要素の底部表面に無傷のまま残される。
【０００３】
ＭＥＭＳは、その最も一般的な形態において、微細加工の技術を使用して作製される小型の機械および電気機械要素（すなわち、デバイスおよび構造）として定義され得る技術である。ＭＥＭＳデバイスの重要な物理的寸法は、寸法スペクトルの下側端部の１ミクロンよりずっと下から、数ミリメートルまでの範囲で変化し得る。同様に、ＭＥＭＳデバイスのタイプは、移動要素を有さない比較的単純な構造から、集積マイクロエレクトロニクスの制御下にある複数の移動要素を有する非常に複雑な電気機械システムまで様々であり得、自立ＭＥＭＳ構造または「ビーム」は、たとえば、しばしばリレーとして機能する。
【０００４】
移動要素を有するＭＥＭＳデバイスに関して、そのような移動要素は、基板（たとえば、溶融シリカ、ガラス、ケイ素基板）に固定された第１の端部および接点を有する第２の自由端部を有するカンチレバーとして構成される自立吊り下げ型ＭＥＭＳ構造の形態であってもよい。ＭＥＭＳデバイスが起動されると、自立ＭＥＭＳ構造は、その接点を、デバイス基板の上かつＭＥＭＳ構造接点の下の基板接点に対して移動させる。
【０００５】
そのような金属ＭＥＭＳ自立構造の製造／形成においては、電気めっきプロセスが用いられ、金属材料が、導電性金属層、すなわち、ウエハ表面での金属堆積を容易にする電流を運ぶのに必要な「シード層」上に電気めっきされる。典型的には、この金属シード層は、いくつかの金属エッチング方法（すなわち、湿式化学エッチング、反応性イオンエッチング）のうちの１つによって製造プロセスの最後に除去されなければならない。このシード層を完全に除去することができないと、電気要素間の短絡などのデバイスの故障を招くおそれがあり、シードをエッチングするための方法は、基板に存在するＭＥＭＳ構造を損傷しないように設計されなければならないことが認識される。
【０００６】
特にＭＥＭＳスイッチに関しては、動作中、自立構造と基板接点との接触は、自立構造（すなわち、自立構造の接点）が基板接点との物理的衝撃、ジュール加熱による自立構造接点の加熱、および自立構造接点と基板接点との間の放電を繰り返すことによる機械的摩耗を受ける原因となり得ることがさらに認識される。自立構造接点のこの摩耗は、ＭＥＭＳスイッチにおける信頼性の問題を最終的にもたらす可能性がある。
【０００７】
したがって、自立ＭＥＭＳ構造をシード層上に電気めっきすることによって製造することができる自立ＭＥＭＳ構造を提供することが望ましく、シード層は接点材料としても機能するので、プロセスの最後にシード金属を除去する必要がなくなる。このシード層は、接触層として機能すると同時に、ある温度範囲にわたってビーム／シード層構造の機械的および電気的特性に大きく寄与しないように調整されることも望ましい。たとえば、膜中の応力は、解放されたＭＥＭＳ構造の平面性に影響を及ぼすので、制御されなければならない。自立構造のためのオーム接触として機能するシード層は、１８５０℃を超える溶融温度および０．４Ｖを超える溶融電圧などの特性を示す高融点金属または高融点金属合金で形成されることがさらに望ましく、それにより機械的摩耗に対する耐性が増大し、高温および放電に曝されても長寿命を示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第２０１１／１６３３９７号
【発明の概要】
【０００９】
本発明の一態様によれば、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスは、基板と、前記基板に形成された自立吊り下げ型電気めっき金属ＭＥＭＳ構造とを含む。前記自立吊り下げ型電気めっき金属ＭＥＭＳ構造は、前記基板に機械的に結合された金属機械要素と、前記機械要素に機械的に結合されて電気的に連通し、高融点金属および高融点金属合金の少なくとも１つを含むシード層とを含み、前記機械要素の厚さは、前記シード層の厚さより実質的に厚く、それにより前記自立吊り下げ型電気めっき金属ＭＥＭＳ構造の機械的および電気的特性は、前記機械要素の材料特性によって規定される。
【００１０】
本発明の別の態様によれば、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを作製する方法は、基板を設けることと、前記基板に自立ＭＥＭＳ構造を形成することとを含む。前記自立ＭＥＭＳ構造を形成することは、前記基板の一部に犠牲剥離層を適用することと、前記基板および前記犠牲剥離層の上に高融点金属および高融点金属合金の少なくとも１つを含むシード金属の層を適用することと、前記シード金属の層の一部にフォトレジスト層を適用することと、自立構造を形成するために前記フォトレジスト層によって覆われていない前記シード金属の層上に金属材料を電気めっきすることと、前記自立構造が前記基板の上に片持ち支持されるように、前記フォトレジスト層、前記犠牲剥離層、および前記自立構造と接触していない前記シード金属の層の一部を除去することとを含み、前記自立構造と接触している前記シード金属の層の一部は、前記フォトレジスト層、前記犠牲剥離層、および前記自立構造と接触していない前記シード金属の層の前記一部の前記除去の後、前記自立構造の下側に残る。
【００１１】
本発明のさらに別の態様によれば、ＭＥＭＳデバイスの自立吊り下げ型金属微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）構造は、基板の一部に犠牲剥離層を適用することと、前記基板および前記犠牲剥離層の上に高融点金属のシード層を適用することと、前記シード層の一部にフォトレジスト層を適用することと、前記シード層に機械的に結合されて電気的に接続される自立構造を形成するために前記フォトレジスト層によって覆われていない領域の前記シード層上に金属材料を電気めっきすることと、高融点金属の層が前記自立構造の下側に残り前記基板に自立吊り下げ型金属ＭＥＭＳ構造を集合的に形成するように、前記フォトレジスト層、前記犠牲剥離層、および前記シード層の一部を除去することとによって製造される。
【００１２】
様々な他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および図面から明らかになるであろう。
【００１３】
図面は、本発明を実施するために現在考えられる実施形態を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態による、ＭＥＭＳデバイスの概略斜視図である。
【図２】開位置にある図１のＭＥＭＳデバイスの概略側面図である。
【図３】閉位置にある図１のＭＥＭＳデバイスの概略側面図である。
【図４】本発明の一実施形態による、ＭＥＭＳデバイスを作製するステップを示す側方断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による、ＭＥＭＳデバイスを作製するステップを示す側方断面図である。
【図６】本発明の一実施形態による、ＭＥＭＳデバイスを作製するステップを示す側方断面図である。
【図７】本発明の一実施形態による、ＭＥＭＳデバイスを作製するステップを示す側方断面図である。
【図８】本発明の一実施形態による、ＭＥＭＳデバイスを作製するステップを示す側方断面図である。
【図９】本発明の一実施形態による、ＭＥＭＳデバイスを作製するステップを示す側方断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施形態は、高融点金属シード層上に自立機械構造または要素を電気めっきすることによって基板に／に隣接して形成される自立吊り下げ型金属ＭＥＭＳ構造を有するＭＥＭＳデバイスを提供する。シード層は、電気めっき自立構造が形成される導電層を設ける。この実施形態では、シード層は、ＭＥＭＳデバイスがＭＥＭＳスイッチの形態であるときに自立構造の電気接点としても機能することができる。さらに、自立構造の他の表面に形成された付随する保護層と組み合わされたシード層は、製造プロセスで行われるクリーニングおよび／またはエッチングステップに関連するエッチングまたは損傷から自立構造を保護することができる。
【００１６】
図１〜図３を参照すると、本発明の一実施形態による微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス１０の概略斜視図が示されている。ＭＥＭＳデバイス１０は、スイッチとして図１〜図３に示されているが、ＭＥＭＳデバイス１０は、たとえば、本発明の他の実施形態による共振器、慣性センサまたは試験プローブのような多数の異なるＭＥＭＳデバイスのいずれかの形態であってもよいと考えられる。図１〜図３に示す実施形態によれば、ＭＥＭＳデバイス１０は、導電性材料（たとえば、金属）を含む基板接点１２（ＭＥＭＳデバイスがスイッチである場合に含まれる）を含む。ＭＥＭＳデバイス１０はまた、ビームなどの自立構造／機械要素１６を含む自立吊り下げ型機械ＭＥＭＳ構造１４を含み、以下により詳細に説明するように、自立構造１６は、接点１２の上に延びる片持ち部分１８を有し、自立構造１６の下側または底部表面１７は、構造に機械的に結合されて電気的に接続されるシード層２０によって覆われる。自立構造１６は、そこから片持ち部分１８が延び、自立構造１６と一体化することができるアンカー部分２２によって支持される。アンカー部分２２は、自立構造１６の片持ち部分１８を、基板２４に形成された導電性マウント２１のような下にある支持構造に接続する役割を果たす。基板２４は、たとえば、ケイ素およびケイ素ベースの基板（たとえば、ケイ素カーバイド（ＳｉＣ））、溶融シリカまたはガラスを含む、ＭＥＭＳデバイスの製造に適した多数の材料のいずれかで形成することができる。
【００１７】
自立ＭＥＭＳ構造１４は、微小電気機械もしくはナノ電気機械デバイス、またはＭＥＭＳデバイス１０の一部を構成することができる。たとえば、接点１２および自立構造１６は、数ナノメートルもしくは数マイクロメートル、または数１０ナノメートルもしくは数１０マイクロメートル程度の寸法を有することができる。一実施形態では、自立構造１６は、１０８ｍ−１以上の表面積対体積比を有してもよく、別の実施形態では、１０３ｍ−１に近い比でもよい。
【００１８】
図２および図３に示すように、自立構造１６は、自立構造１６（およびシード層２０）が離間距離ｄだけ接点１２から離れる図２に示す第１の非接触すなわち「開」位置と、自立構造１６（およびシード層２０）が接点１２と電気的に接触する図３に示す第２の接触すなわち「閉」位置との間で選択的に移動可能に構成することができる。示すように、シード層２０は、自立構造１６の電気接点として機能する。したがって、シード層２０は、シード層２０が電気接点１２と機械的に接触して電気的に連通すると、自立構造１６と接点１２を電気的に結合する。さらに、自立構造１６およびシード層２０は、自立構造１６およびシード層２０が非接触位置に自然に配置される（すなわち、外部から加えられる力がない）ように、接触位置と非接触位置との間を移動するときに変形を起こすように構成することができ、その中に機械エネルギーを蓄積しながら接触位置を占めるように変形し得る。他の実施形態では、自立構造１６およびシード層２０の非変形構成は、接触位置であってもよい。
【００１９】
ＭＥＭＳデバイス１０はまた、電極２６を含むことができ、これは適切に帯電されたときに電極２６とシード層２０の自立構造１６との間に電位差を与え、その結果自立構造１６およびシード層２０を電極２６に向かって、かつ接点１２に対して引っ張る静電気力が生じる。電極２６に十分な電圧を加えると、静電気力が自立構造１６およびシード層２０を変形させ、それによって自立構造１６およびシード層２０を図２に示す非接触（すなわち、開または非導電）位置から、図３に示す接触（すなわち、閉または導電）位置に変位させる。したがって、電極２６は、ＭＥＭＳ構造１４の開閉を制御する役割を果たす電極２６に加えられる電圧（「ゲート電圧」と呼ばれる）を用いて、ＭＥＭＳデバイス１０に対して「ゲート」として機能することができる。電極２６は、ゲート電圧ＶＧが電極２６に選択的に加えられ得るように、ゲート電圧源２８と連通することができる。
【００２０】
接点１２、自立構造１６、およびシード層２０は、回路３０の構成要素である。例示的な回路３０は、互いに切断されたときに、（側の一方のみが電源３６に接続されるように）互いに対して異なる電位にある第１の側３２および第２の側３４を有する。接点１２および自立構造１６は、シード層２０を介して回路３０の側３２，３４のいずれかにそれぞれ接続することができ、第１および第２の位置の間の自立構造１６およびシード層２０の変形がそれぞれ通過し、流れる電流を遮断するように機能する。自立構造１６およびシード層２０は、ＭＥＭＳ構造１４が利用される用途によって決定される周波数（均一または不均一のいずれか）で接点１２との接触および非接触を繰り返して移動することができる。接点１２とシード層２０を含む自立構造１６の底部表面１７が互いに離される場合、接点１２と自立構造１６との間の電圧差は、「スタンドオフ電圧」と呼ばれる。
【００２１】
一実施形態では、自立構造１６およびシード層２０は、電源３６と（たとえば、アンカー構造２２を介して）連通することができ、接点１２は、負荷抵抗ＲＬを有する電気負荷３８と連通することができる。電源３６は、電圧源または電流源として動作することができる。自立構造１６およびシード層２０は、電気接点（すなわち、オーム接触）として機能し、自立構造１６およびシード層２０が接触位置にあるときに電源３６から自立構造１６およびシード層２０を通して接点１２および電気負荷３８に負荷電流を流すことができ、または自立構造１６およびシード層２０が非接触位置にあるときに電気経路を分断し、電源から負荷への電流の流れを防止する。
【００２２】
上述したＭＥＭＳ構造１４は、回路全体の電流および電圧容量を増加させるために、設計が類似するまたは異なる他のスイッチ構造を含む回路の一部として利用することができる。このようなスイッチ構造は、スイッチ構造が開いているときのスタンドオフ電圧の均一な分布、およびスイッチ構造が閉じているときの電流の均一な分布を促進にするように、直列または並列に構成することができる。
【００２３】
本発明の実施形態によれば、シード層２０が形成される高融点金属および／または高融点金属合金は、ルテニウム、タンタル、ニオブ、ロジウム、モリブデン、タングステン、バナジウム、クロム、ジルコニウム、ハフニウムおよび／または上記の合金の１つまたは複数を含むことができる。（ＭＥＭＳデバイス１０の製造の説明において）以下により詳細に説明するように、自立構造１６は、電気めっきプロセスを介してシード層２０に形成され、シード層２０は、その後、ＭＥＭＳ構造１４の製造が完了したときに自立構造１６の底部表面１７に無傷のまま残される。一体化されると、自立構造１６およびシード層２０は、製造中およびその後の動作中にＭＥＭＳ構造に課される応力に耐性を有する自立吊り下げ型金属ＭＥＭＳ構造１４を形成し、ＭＥＭＳ構造の具体的な特性は、自立構造１６およびシード層２０が形成される特定の材料に基づいて、かつ自立構造１６およびシード層２０の寸法に基づいて調整可能である。例示的な実施形態では、自立構造１６の厚さは、シード層２０の厚さより実質的に厚く、それにより膜応力に関連する曲げ力は自立構造（すなわち、ビーム）の平面性に影響を及ぼし、自立ＭＥＭＳ構造の残留応力（σ）と構造の厚さの積がシード層の残留応力と厚さの積の３倍を超える（σＭＥＭＳ＊ｔＭＥＭＳ＞３σＳＥＥＤ＊ｔＳＥＥＤ）ようにシード層２０の厚さが制限／選択される。その結果、ＭＥＭＳ構造１４の機械的および電気的特性は、シード層２０の材料ではなく、金属自立構造１６の材料によって規定される。
【００２４】
ＭＥＭＳデバイス１０がＭＥＭＳスイッチの形態である一実施形態では、図１〜図３に示され説明されるように、シード層２０は、自立構造１６と接点１２との間に機械的に強固で電気的に安定なオーム接触を提供するようにさらに構成される。すなわち、シード層は、１８５０℃を超える溶融温度および０．４Ｖを超える溶融電圧などの特性を示す高融点金属または高融点合金で形成されるので、シード材料は、基板接点１２との物理的衝撃が繰り返されることに起因する機械的摩耗に耐性を有し、自立構造１６と接点１２との間の高温（たとえば、ジュール加熱）および放電に曝されても長寿命を示す。したがって、シード層２０は、自立構造１６の寿命を延ばし、ＭＥＭＳスイッチの信頼性を高めることができる。
【００２５】
例示的な実施形態では、ＭＥＭＳ構造１４は、自立構造１６の１つまたは複数の残りの露出表面（すなわち、底部表面１７以外の表面）に形成された保護層４０をさらに含むことができる。一実施形態では、図１に示すように、ビームを取り囲むように自立構造１６の露出表面に保護層４０が適用される。自立構造１６にシード層２０および保護層４０を含むことは、自立構造１６の構造的完全性をさらに増加させるとともに、自立構造１６を化学的に保護する役割を集合的に果たす。すなわち、ＭＥＭＳ構造１４は、湿式エッチングに用いられるエッチング液などのマイクロおよびナノ加工に使用されるエッチング液／化学薬品に曝されることがあり、湿式エッチングプロセスにおいて自立構造１６を化学薬品に曝露すると、動作中に自立構造１６に、その結果、その構造的完全性に不可逆的な損傷をもたらす可能性があることが認識される。したがって、シード層２０および保護層４０によって自立構造１６を取り囲むことは、湿式エッチング中に化学的攻撃から自立構造１６を保護する役割を果たす。シード層２０および保護層４０が形成される高融点金属および／または金属合金（たとえば、ルテニウム、タンタル、ニオブ、ロジウム、モリブデン、タングステン、チタン−タングステン合金など）は、これらに限定されないが、硫酸、フッ化水素酸、緩衝酸化物、過酸化水素およびアルカリ性フォトレジスト現像液を含むマイクロおよびナノ加工に使用されるエッチング液／化学薬品に耐性を有する。したがって、シード層２０および保護層は、高温による変形と湿式エッチングによる化学的攻撃の両方から自立構造１６、およびその結果ＭＥＭＳ構造１４を保護する。
【００２６】
次に図４〜図９を参照すると、本発明の一実施形態によるＭＥＭＳデバイス１０を作製するための方法のプロセスステップが示されている。図４に示すように、その上にＭＥＭＳ構造１４が形成される基板２４が最初に設けられ、基板２４は、たとえば、ケイ素およびケイ素ベースの基板（たとえば、ケイ素カーバイド（ＳｉＣ））、溶融シリカまたはガラスを含む、ＭＥＭＳデバイスの製造に適した多数の材料のいずれかで形成される。図４にも示されているように、ＭＥＭＳデバイス１０をスイッチングデバイスとして製造する際に、導電性接点１２、電極２６、および導電性マウント２１が基板２４に形成される。周知のように、導電性接点１２、電極２６、および導電性マウント２１は、基板２４上に導電性金属材料（たとえば、金、銅など）の層を適用し、その後のエッチングを行うことで層をパターニングして導電性接点１２、電極２６、および導電性マウント２１を形成することによって形成することができる。導電性接点１２、電極２６、および導電性マウント２１の形成時に、自立構造１６が形成される領域に犠牲剥離層４２が適用される。本発明の好ましい実施形態では、剥離層４２はＳｉＯ２（二酸化ケイ素）を含むが、当業者であれば、剥離層４２が他の材料、たとえば、これらに限定されないが、金属、セラミック、またはポリマーを含んでもよいことを認識するであろう。
【００２７】
図５に示すように、ＭＥＭＳデバイス１０の製造の次のステップでは、スパッタリングプロセスまたは他の適切な適用プロセスなどを介して、シード層２０が剥離層４２に適用される。本発明の一実施形態では、シード層２０は、導電性マウント２１と直接接触するために、剥離層４２の開口部４３を通って延びる。シード層２０は、１８５０℃を超える溶融温度および０．４Ｖを超える溶融電圧などの特性を示す金属材料として本明細書で定義される高融点金属および／または高融点金属合金材料を含む。したがって、適用される高融点金属／金属合金は、たとえば、ルテニウム、タンタル、ニオブ、ロジウム、モリブデン、タングステン、バナジウム、クロム、ジルコニウム、ハフニウムおよび／または上記の合金の１つまたは複数であってもよい。以下にさらに詳細に説明するように、ＭＥＭＳデバイス１０の完成後、シード層２０は、接点１２との機械的に強固で電気的に安定なオーム接触を提供するために自立構造１６の底部表面１７に無傷のまま残され、シード層２０の高融点金属は、機械的摩耗に耐性を有し、高温および放電に曝されても長寿命を示す。シード層２０はまた、その製造中に発生するさらなる湿式エッチング中の化学的攻撃による損傷からの保護を行うことができる。
【００２８】
ＭＥＭＳデバイス１０の製造の次のステップでは、パターニングされたフォトレジストマスク４４が、シード層２０に適用される。図６に示すように、フォトレジストマスク４４は、少なくとも１つの開口部４６を含み、シード層２０は、露出したままである。次いで、フォトレジストマスク４４の少なくとも１つの開口部４６内のシード層２０上に金属材料を電気めっきすることによって、カンチレバー自立構造１６が形成される。本発明の好ましい実施形態では、自立構造１６を形成するために使用される金属材料は、ＮｉＷ（ニッケル−タングステン）合金を含むが、自立構造１６の材料は、当業者によって適切であると判断された任意の材料であってもよいと考えられる。
【００２９】
ＭＥＭＳデバイス１０を形成する次のステップでは、自立構造１６が電気めっきされた後にフォトレジストマスク４４を除去し（図７）、犠牲剥離層４２および自立構造１６と接触していないシード層２０の一部（すなわち、第１の部分）が次いで除去され（図８）、シード層２０と導電層４０との間にギャップ４８が生じる。その結果、自立構造１６は、少なくとも１つの非露出面５０（自立構造の下側１７）を含み、シード層２０は、自立構造１６と接触し、少なくとも１つの露出面５２をさらに含み、自立構造１６は、他の要素と接触せず、したがって露出している。剥離層４２および自立構造１６と接触していないシード層２０の部分は、当技術分野で知られているマイクロおよびナノ加工のエッチングプロセスによって除去されると考えられる。たとえば、湿式エッチングプロセスは、硫酸、フッ化水素酸、緩衝酸化物エッチング、および／または過酸化水素を使用することができる。別の例として、反応性イオンエッチング、スパッタエッチング、および気相エッチングなどの公知のドライエッチング技術を使用したドライエッチングプロセスを使用して、剥離層４２および自立構造１６と接触していないシード層２０の部分を除去することができる。
【００３０】
次に図９を参照すると、本発明の一実施形態による、自立構造１６の少なくとも１つの露出面５２の少なくとも１つに適用された保護層４０の追加が示されている。自立構造１６に保護層４０（シード層２０と組み合わせて）を含むことは、湿式エッチングに用いられるエッチング液など、マイクロおよびナノ加工に使用されるエッチング液／化学薬品に関して自立構造１６を化学的に保護する役割を果たし、湿式エッチングプロセスにおいて自立構造１６を化学薬品に曝露すると、動作中に自立構造１６に、その結果、その構造的完全性に不可逆的な損傷をもたらす可能性がある。本発明の好ましい実施形態は保護層４０を含むが、保護層４０の追加は任意であり、本発明のすべての実施形態の必要要件ではない。
【００３１】
有利なことに、本発明の実施形態はしたがって、製造中およびその後の動作中にＭＥＭＳ構造に課される応力に耐性を有するＭＥＭＳデバイスおよび関連する自立吊り下げ型金属ＭＥＭＳ構造を提供し、ＭＥＭＳ構造の具体的な特性は、自立構造およびシード層が形成される特定の材料に基づいて、かつ自立構造およびシード層の寸法／厚さに基づいて調整可能である。高融点シード層は、自立ＭＥＭＳ構造が電気めっきによって堆積される層であり、自立吊り下げ型電気めっき金属ＭＥＭＳ構造の機械的および電気的特性が自立構造の材料によって規定されるように構成される。シード層は、自立構造と基板の導電性接点との間にオーム接触を提供し、シード層の高融点金属は１８５０℃を超える溶融温度および０．４Ｖを超える溶融電圧を有するので、機械的摩耗に耐性を有し、高温および放電に曝されても長寿命を示す。
【００３２】
本発明の一実施形態によれば、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスは、基板と、前記基板に形成された自立吊り下げ型電気めっき金属ＭＥＭＳ構造とを含む。前記自立吊り下げ型電気めっき金属ＭＥＭＳ構造は、前記基板に機械的に結合された金属機械要素と、前記機械要素に機械的に結合されて電気的に連通し、高融点金属および高融点金属合金の少なくとも１つを含むシード層とを含み、前記機械要素の厚さは、前記シード層の厚さより実質的に厚く、それにより前記自立吊り下げ型電気めっき金属ＭＥＭＳ構造の機械的および電気的特性は、前記機械要素の材料特性によって規定される。
【００３３】
本発明の別の実施形態によれば、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを作製する方法は、基板を設けることと、前記基板に自立ＭＥＭＳ構造を形成することとを含む。前記自立ＭＥＭＳ構造を形成することは、前記基板の一部に犠牲剥離層を適用することと、前記基板および前記犠牲剥離層の上に高融点金属および高融点金属合金の少なくとも１つを含むシード金属の層を適用することと、前記シード金属の層の一部にフォトレジスト層を適用することと、自立構造を形成するために前記フォトレジスト層によって覆われていない前記シード金属の層上に金属材料を電気めっきすることと、前記ビームが前記基板の上に片持ち支持されるように、前記フォトレジスト層、前記犠牲剥離層、および前記自立構造と接触していない前記シード金属の層の一部を除去することとを含み、前記自立構造と接触している前記シード金属の層の一部は、前記フォトレジスト層、前記犠牲剥離層、および前記自立構造と接触していない前記シード金属の層の前記一部の前記除去の後、前記自立構造の下側に残る。
【００３４】
本発明のさらに別の実施形態によれば、ＭＥＭＳデバイスの自立吊り下げ型金属微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）構造は、基板の一部に犠牲剥離層を適用することと、前記基板および前記犠牲剥離層の上に高融点金属のシード層を適用することと、前記シード層の一部にフォトレジスト層を適用することと、前記シード層に機械的に結合されて電気的に接続される自立構造を形成するために前記フォトレジスト層によって覆われていない領域の前記シード層上に金属材料を電気めっきすることと、高融点金属の層が前記自立構造の下側に残り前記基板に自立吊り下げ型金属ＭＥＭＳ構造を集合的に形成するように、前記フォトレジスト層、前記犠牲剥離層、および前記シード層の一部を除去することとによって製造される。
【００３５】
本明細書は、最良の形態を含めた本発明の開示のために、また、任意のデバイスまたはシステムの製作および使用、ならびに任意の組み込まれた方法の実行を含めた本発明の実施がいかなる当業者にも可能になるように、実施例を用いている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、特許請求の範囲の文言との差がない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言との実質的な差がない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にある。
【００３６】
本発明は、限られた数の実施形態に関して詳細に説明してきたが、本発明が、このような開示された実施形態に限定されないことは容易に理解されよう。むしろ、本発明は、これまでに説明していないが、本発明の精神および範囲に相応する、任意の数の変形、変更、置換または等価な構成を組み込むように修正されてもよい。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様が、説明した実施形態の一部しか含まなくてもよいことが理解されるべきである。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されるものとして理解されるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００３７】
１０  微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス
１２  基板接点、導電性接点、電気接点
１４  自立吊り下げ型機械ＭＥＭＳ構造、自立吊り下げ型金属ＭＥＭＳ構造
１６  金属自立構造、カンチレバー自立構造、機械要素
１７  自立構造の下側、底部表面
１８  片持ち部分
２０  シード層
２１  導電性マウント
２２  アンカー部分、アンカー構造
２４  基板
２６  電極
２８  ゲート電圧源
３０  回路
３２  第１の側
３４  第２の側
３６  電源
３８  電気負荷
４０  保護層、導電層
４２  犠牲剥離層
４３  開口部
４４  フォトレジストマスク
４６  開口部
４８  ギャップ
５０  非露出面
５２  露出面
【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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【国際調査報告】
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