(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２のアンカーが固定された平坦な基板と、
前記第１および第２のアンカーにそれぞれ結合された第１および第２の端縁をそれぞれが有する、１つまたは複数の引き延ばされた熱バックルビーム部と、
該熱バックルビーム部の湾曲運動によりアクチュエータが活動化されると、前記熱バックルビームの傾倒によって前記基板から離れる旋回枠体と、
前記第１および第２のアンカーを介して、前記熱バックルビーム部に電流を導き、熱バックルビーム部の熱膨張、および前記基板から離れるそれらの運動を伝え、前記アクチュエータを活動化させる電気結合部とを備え、
前記旋回枠体は、前記熱バックルビーム部の各々に固定された枠体基部と、１端で前記枠体基部に結合され、前記アクチュエータが活動化させると面上へ旋回する自由端を含む少なくとも１つの旋回アームとを備えることを特徴とする熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータ。
【請求項２】
前記旋回枠体内に、その自由端が接合された２つの旋回アームを備え、アクチュエータが活動化されると前記２つの旋回アームが一緒に旋回することを特徴とする請求項１に記載の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータ。
【請求項３】
前記枠体基部が、前記熱バックルビームの各々にその中間部分とアンカーの１つとの間で固定されたことを特徴とする請求項１に記載の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータ。
【請求項４】
前記旋回アームが光反射器を支持することを特徴とする請求項３に記載の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータ。
【請求項５】
前記熱バックルビーム部の各々は、前記基板に対して平行な幅と前記基板に対して垂直な厚みを有しており、前記熱バックルビーム部の各々の幅がその厚みよりも大きい幅広のアスペクト比を有することを特徴とする請求項１に記載の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータ。
【請求項６】
前記熱バックルビーム部の各々の下に基板から延びる離隔パッドを備えることを特徴とする請求項１に記載の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータ。
【請求項７】
前記離隔パッドが、前記熱バックルビーム部の何れの下にも延びる単一構造として形成されることを特徴とする請求項６に記載の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータ。
【請求項８】
前記１つまたは複数の熱バックルビーム部のそれぞれが中間部分を有し、かつ、前記面外バックルバイアス部が前記熱バックルビーム部の各々の前記中間部分の下に基板から延びる前記離隔パッドを備えることを特徴とする請求項１に記載の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータ。
【請求項９】
前記熱バックルビーム部の各々の各端部付近に形成される窪みを有することを特徴とする請求項１に記載の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータ。
【請求項１０】
第１および第２のアンカーが固定された平坦な基板と、
前記第１および第２のアンカーにそれぞれ結合された第１および第２の端縁をそれぞれが有する、１つまたは複数の引き延ばされた熱バックルビーム部と、
前記熱バックルビーム部の各々に固定された枠体基部と、その１端で前記枠体基部に結合され、前記熱バックルビーム部の湾曲運動によりアクチュエータが活動化されると面上へ旋回する自由端を有する少なくとも１つの旋回アームとを備える旋回枠体と、
前記第１および第２のアンカーを介して、前記熱バックルビーム部に電流を導き、前記熱バックルビーム部の熱膨張、および前記基板から離れるそれらの運動を伝え、前記アクチュエータを活動化させる電気結合部とを備えることを特徴とする熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータ。
【請求項１１】
前記旋回枠体内に、その自由端が接合された２つの旋回アームを備え、前記アクチュエータが活動化されると前記２つの旋回アームが一緒に旋回することを特徴とする請求項１０に記載の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータ。
【請求項１２】
前記１つまたは複数の熱バックルビーム部のそれぞれが中間部分を有し、前記枠体基部が、前記熱バックルビーム部の各々にその中間部分と前記アンカーの１つとの間で固定されていることを特徴とする請求項１０に記載の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータ。
【請求項１３】
前記枠体基部が、前記熱バックルビーム部の各々にその中間部分と前記アンカーの１つとの間の中間で固定されていることを特徴とする請求項１２に記載の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータ。
【請求項１４】
前記熱バックルビーム部の各々の幅がその厚みよりも大きい幅広のアスペクト比を有することを特徴とする請求項１０に記載の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータ。
【請求項１５】
前記熱バックルビーム部の各々の下に基板から延びる離隔パッドを備え、該熱バックルビーム部の湾曲運動により前記アクチュエータが活動化されると前記熱バックルビーム部を傾倒させて前記旋回枠体を前記基板から離すことを特徴とする請求項１０に記載の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータ。
【請求項１６】
前記離隔パッドが、前記熱バックルビーム部の何れの下にも延びる単一構造として形成されることを特徴とする請求項１５に記載の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータ。
【請求項１７】
前記熱バックルビーム部の各々の各端部付近に形成される窪みを有し、該熱バックルビーム部の湾曲運動により前記アクチュエータが活動化されると前記熱バックルビーム部を傾倒させて前記旋回枠体を前記基板から離すことを特徴とする請求項１０に記載の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータ。
【請求項１８】
第１および第２のアンカーが固定された平坦な基板と、
前記第１および第２のアンカーにそれぞれ結合された第１および第２の端縁をそれぞれが有する、複数の実質的に同一な引き延ばされた熱バックルビーム部と、
該熱バックルビーム部の湾曲運動によりアクチュエータが活動化されると面上へ移動する前記熱バックルビーム部の間の結合部と、
前記アンカーを介して、前記熱バックルビーム部に電流を導き、前記熱バックルビーム部の熱膨張、および前記基板から離れるそれらの運動を伝え、前記アクチュエータを活動化させる電気結合部とを備え、
前記結合部が、前記熱バックルビーム部の各々に固定された枠体基部と、自由端を有し、１端で前記枠体基部に結合され、前記アクチュエータが活動化させると面上へ旋回する少なくとも１つの旋回アームとを具備する旋回枠体を備えることを特徴とする熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロエレクトロメカニカルシステムアクチュエータに関し、より詳細には、ジュール加熱によって活動化される熱式マイクロエレクトロメカニカルシステムアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロエレクトロメカニカルシステム（ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍ／ＭＥＭＳ）アクチュエータは、従来の半導体（たとえば、ＣＭＯＳ）製造プロセスによって半導体基板上に形成される非常に小型の構成要素の制御を実現する。ＭＥＭＳシステムおよびＭＥＭＳアクチュエータは、マイクロマシンによるシステムオンチップ（ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  ｓｙｓｔｅｍｓ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ）と称されることがある。
【０００３】
従来のＭＥＭＳアクチュエータの１つは、静電アクチュエータまたは櫛形ドライブである。一般にこのようなアクチュエータは２つの櫛形構造を有し、それぞれが基板に平行な面内に整列した複数の櫛歯を有している。２つの櫛形構造の歯は交互に入り込んでおり、櫛形構造に印加された電位差が両者間に静電気のやりとりを確立し、それによって互いに近づけたり離したりして櫛形構造を動かす。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
静電アクチュエータは、必要な電流が少なく、その結果作動エネルギーが小さくなること、および比較的周波数応答が高いという利点を有する反面、高い駆動電圧（たとえば、数十または数百ボルト）と大面積が要求されること、および出力される力が小さいという問題がある。
【０００５】
例えば、マイクロ構造の配備に使用される櫛形ドライブ（静電）アクチュエータは、一般に、配備されるデバイスの面積の数倍を占有し、更に、その動作に必要な高電圧（たとえば、数十または数百ボルト）は、従来のロジック系および低電圧系電子回路とは適合せず、それらと一体化できないという問題がある。
【０００６】
一方、擬似バイモルフ（ｐｓｅｕｄｏ−ｂｉｍｏｒｐｈ）熱アクチュエータは、静電アクチュエータの代替である。これらのアクチュエータは、サイズの異なる２本のポリシリコンアームの異なる熱膨張を利用して、基板に対して平行に弧を描いてたわむ擬似バイモルフを発生する。このような熱アクチュエータは、櫛形ドライブアクチュエータよりもはるかに高い単位体積あたりの力（１００〜４００倍）を発生し、非常に低い電圧で動作できる。このようなアクチュエータは、アクチュエータの平面内での掃拭運動または円弧運動に制限される。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、従来の熱アクチュエータに匹敵する力で面外運動を実現でき、標準的な集積回路（たとえばＣＭＯＳ）と適合する電圧および電流で動作することが可能で、面積が非常に小さく、比較的大きい力を有する熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータであって、第１および第２のアンカーが固定された平坦な基板と、前記第１および第２のアンカーにそれぞれ結合された第１および第２の端縁をそれぞれが有する、１つまたは複数の引き延ばされた熱バックルビーム部と、該熱バックルビーム部の湾曲運動によりアクチュエータが活動化されると、前記熱バックルビームの傾倒によって前記基板から離れる旋回枠体と、前記第１および第２のアンカーを介して、前記熱バックルビーム部に電流を導き、熱バックルビーム部の熱膨張、および前記基板から離れるそれらの運動を伝え、前記アクチュエータを活動化させる電気結合部とを備え、前記旋回枠体は、前記熱バックルビーム部の各々に固定された枠体基部と、１端で前記枠体基部に結合され、前記アクチュエータが活動化させると面上へ旋回する自由端を含む少なくとも１つの旋回アームとを備えることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータにおいて、前記旋回枠体内に、その自由端が接合された２つの旋回アームを備え、アクチュエータが活動化されると前記２つの旋回アームが一緒に旋回することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータにおいて、前記枠体基部が、前記熱バックルビームの各々にその中間部分とアンカーの１つとの間で固定されたことを特徴とする。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータにおいて、前記旋回アームが光反射器を支持することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータにおいて、前記熱バックルビーム部の各々は、前記基板に対して平行な幅と前記基板に対して垂直な厚みを有しており、前記熱バックルビーム部の各々の幅がその厚みよりも大きい幅広のアスペクト比を有することを特徴とする。
【００１５】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータにおいて、前記熱バックルビーム部の各々の下に基板から延びる離隔パッドを備えることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータにおいて、前記離隔パッドが、前記熱バックルビーム部の何れの下にも延びる単一構造として形成されることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項８に記載の発明は、請求項１に記載の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータにおいて、前記１つまたは複数の熱バックルビーム部のそれぞれが中間部分を有し、かつ、前記面外バックルバイアス部が前記熱バックルビーム部の各々の前記中間部分の下に基板から延びる前記離隔パッドを備えることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項９に記載の発明は、請求項１に記載の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータにおいて、前記熱バックルビーム部の各々の各端部付近に形成される窪みを有することを特徴とする。
【００１９】
また、請求項１０に記載の発明は、熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータであって、第１および第２のアンカーが固定された平坦な基板と、前記第１および第２のアンカーにそれぞれ結合された第１および第２の端縁をそれぞれが有する、１つまたは複数の引き延ばされた熱バックルビーム部と、前記熱バックルビーム部の各々に固定された枠体基部と、その１端で前記枠体基部に結合され、前記熱バックルビーム部の湾曲運動によりアクチュエータが活動化されると面上へ旋回する自由端を有する少なくとも１つの旋回アームとを備える旋回枠体と、前記第１および第２のアンカーを介して、前記熱バックルビーム部に電流を導き、前記熱バックルビーム部の熱膨張、および前記基板から離れるそれらの運動を伝え、前記アクチュエータを活動化させる電気結合部とを備えることを特徴とする。
【００２０】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータにおいて、前記旋回枠体内に、その自由端が接合された２つの旋回アームを備え、前記アクチュエータが活動化されると前記２つの旋回アームが一緒に旋回することを特徴とする。
【００２１】
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１０に記載の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータにおいて、前記１つまたは複数の熱バックルビーム部のそれぞれが中間部分を有し、前記枠体基部が、前記熱バックルビーム部の各々にその中間部分と前記アンカーの１つとの間で固定されていることを特徴とする。
【００２２】
また、請求項１３に記載の発明は、請求項１２に記載の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータにおいて、前記枠体基部が、前記熱バックルビーム部の各々にその中間部分と前記アンカーの１つとの間の中間で固定されていることを特徴とする。
【００２３】
また、請求項１４に記載の発明は、請求項１０に記載の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータにおいて、前記熱バックルビーム部の各々の幅がその厚みよりも大きい幅広のアスペクト比を有することを特徴とする。
【００２４】
また、請求項１５に記載の発明は、請求項１０に記載の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータにおいて、前記熱バックルビーム部の各々の下に基板から延びる離隔パッドを備え、該熱バックルビーム部の湾曲運動により前記アクチュエータが活動化されると前記熱バックルビーム部を傾倒させて前記旋回枠体を前記基板から離すことを特徴とする。
【００２５】
また、請求項１６に記載の発明は、請求項１５に記載の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータにおいて、前記離隔パッドが、前記熱バックルビーム部の何れの下にも延びる単一構造として形成されることを特徴とする。
【００２６】
また、請求項１７に記載の発明は、請求項１０に記載の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータにおいて、前記熱バックルビーム部の各々の各端部付近に形成される窪みを有し、該熱バックルビーム部の湾曲運動により前記アクチュエータが活動化されると前記熱バックルビーム部を傾倒させて前記旋回枠体を前記基板から離すことを特徴とする。
【００２７】
また、請求項１８に記載の発明は、熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータであって、第１および第２のアンカーが固定された平坦な基板と、前記第１および第２のアンカーにそれぞれ結合された第１および第２の端縁をそれぞれが有する、複数の実質的に同一な引き延ばされた熱バックルビーム部と、該熱バックルビーム部の湾曲運動によりアクチュエータが活動化されると面上へ移動する前記熱バックルビーム部の間の結合部と、前記アンカーを介して、前記熱バックルビーム部に電流を導き、前記熱バックルビーム部の熱膨張、および前記基板から離れるそれらの運動を伝え、前記アクチュエータを活動化させる電気結合部とを備え、前記結合部が、前記熱バックルビーム部の各々に固定された枠体基部と、自由端を有し、１端で前記枠体基部に結合され、前記アクチュエータが活動化させると面上へ旋回する少なくとも１つの旋回アームとを具備する旋回枠体を備えることを特徴とする。
【００３１】
本発明は、半導体材料（たとえばシリコン）の平坦な基板上に形成された面外熱式バックルビームマイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータを含む。このアクチュエータは、基板に固定された第１および第２のアンカーと、アンカーの間に固定された複数の引き延ばされた熱バックルビームとを含む。バックルビームは、ポリシリコンなどの半導体材料で形成される。一実施態様では、バックルビームが、各バックルビームに固定された枠体基部を含む旋回枠体と、１端で枠体基部に結合され、アクチュエータが活動化されると面外へ旋回する自由端を含む少なくとも１つの旋回アームとによって結合されている。電流源は、アンカーを介し、熱バックルビームを介して電流を導き、バックルビームの熱膨張を、したがって基板の面外への（つまり基板から離れる）それらの湾曲運動（ｂｕｃｋｌｉｎｇ  ｍｏｔｉｏｎ）を伝える。一部の実施態様は、活動化されるとバックルビームを傾倒させて基板から離す作用を奏する面外バックルバイアス（ｂｕｃｋｌｅ  ｂｉａｓ）を含むことができる。
【００３２】
本発明の他の目的および効果は、添付した図面を参照しながら説明したその好ましい実施形態の記載から明らかであろう。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明を理解する一助とするため、図１〜１５を参照しながら、ＭＵＭＰｓプロセスを使用してマイクロメカニカルデバイスを製作する一般手順を説明する。
【００３４】
ＭＵＭＰｓプロセスは、エッチングされて所望の物理構造を生み出す３層の共形（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ）ポリシリコンを提供する。ＰＯＬＹ０と表記された第１層は支持用ウェハに結合され、それぞれＰＯＬＹ１およびＰＯＬＹ２の第２層および第３層は、層が分離されてプロセス中に除去される犠牲層を使用することによって下にある構造から分離できるメカニカル層である。
【００３５】
図１〜１５は、ノースカロライナ州リサーチトライアングルパーク、コーンウォリスロード３０２１のＭＥＭＳ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  Ｃｅｎｔｅｒより提供されたマイクロモータを構築するための一般プロセスを示す。
【００３６】
ＭＵＭＰｓプロセスは、１００ｍｍのｎ型シリコンウェハ１０で始まる。ウェハ表面には、ＰＯＣｌ３をドーパント源として使用して、標準的な拡散炉中で燐が高濃度にドープされる。これは、後からウェハ上に載置される静電性デバイスからのシリコンへの電荷のフィードスルー（ｆｅｅｄ−ｔｈｒｏｕｇｈ）を減少させる。次いで、応力の低い６００ｎｍの低圧化学気相堆積（ＬＰＣＶＤ）窒化珪素層１２が、電気絶縁層としてシリコン上に堆積され、シリコンウェハと窒化珪素層が基板を形成する。
【００３７】
次いで、５００ｎｍのＬＰＣＶＤポリシリコン膜であるＰＯＬＹ０層１４が基板上に堆積される。次いで、ＰＯＬＹ０層１４は、ＰＯＬＹ０層をフォトレジスト１６で被覆すること、マスク（図示せず）を用いてフォトレジストを露光すること、および露光したフォトレジストを現像して、後からＰＯＬＹ０層にパターンを転写するための所望のエッチマスクを作成することを含むフォトリソグラフィによってパターン付けされる（図２）。フォトレジストをパターン付けした後で、ＰＯＬＹ０層１４が反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）システムでエッチングされる（図３）。
【００３８】
図４を参照すると、２．０μｍのＰＳＧ（ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ  ｇｌａｓｓ）犠牲層１８がＬＰＣＶＤによってＰＯＬＹ０層１４上に堆積され、窒化物層１２のうち一部が露出している。本明細書中で第１酸化物（ＦｉｒｓｔＯｘｉｄｅ）と称されるこのＰＳＧ層は、プロセスの終わりに除去されて、ポリシリコンの第１機械層ＰＯＬＹ１（下記）を下にある構造、すなわちＰＯＬＹ０および窒化珪素層から開放する。この犠牲層はディンプル（ＤＩＭＰＬＥＳ）マスクを用いてリソグラフィでパターン付けされ、深さ７５０ｎｍでＲＩＥによって第１酸化物層に窪み２０を形成する（図５）。次いでウェハは、第３マスク層ＡＮＣＨＯＲ１を用いてパターン付けされ、第１酸化物層からＰＯＬＹ０層へ延びるアンカー穴（ａｎｃｈｏｒ  ｈｏｌｅ）２２を設けるためにエッチングされる（図６）。ＡＮＣＨＯＲ１穴は、次のステップでＰＯＬＹ１層２４によって充填される。
【００３９】
ＡＮＣＨＯＲ１のエッチング後、ポリシリコン（ＰＯＬＹ１）の第１構造層２４が厚さ２．０μｍで堆積される。次いで薄い２００ｎｍのＰＳＧ層２６がＰＯＬＹ１層２４の上に堆積され、ウェハをアニールして（図７）ＰＳＧ層から燐をＰＯＬＹ１層にドープする。アニールはまた、ＰＯＬＹ１層の応力を減少させる。ＰＯＬＹ１およびＰＳＧマスク層２４、２６はリソグラフィでパターン付けされ、ＰＯＬＹ１層の構造を形成する。ＰＯＬＹ１層をエッチングした後（図８）、フォトレジストが剥離され、残りの酸化物マスクがＲＩＥによって除去される。
【００４０】
ＰＯＬＹ１層２４がエッチングされた後、第２ＰＳＧ層（以下第２酸化物（Ｓｅｃｏｎｄ  Ｏｘｉｄｅ））２８が堆積される（図９）。第２酸化物は、異なる目的を有する２枚の異なるエッチマスクを使用してパターン付けされる。
【００４１】
第１に、ＰＯＬＹ１＿ＰＯＬＹ２＿ＶＩＡ（バイア）エッチング（３０に示す）により、第２酸化物内にＰＯＬＹ１層２４に至るエッチング穴を設ける。このエッチングは、ＰＯＬＹ１層と後続のＰＯＬＹ２層の間の機械接続および電気接続を提供する。ＰＯＬＹ１＿ＰＯＬＹ２＿ＶＩＡ層はリソグラフィでパターン付けされ、ＲＩＥによってエッチングされる（図１０）。
【００４２】
第２に、ＡＮＣＨＯＲ２エッチング（３２に示す）は、第１および第２酸化物層１８、２８、ならびにＰＯＬＹ１層２４を１回のステップでエッチングするために行われる（図１１）。ＡＮＣＨＯＲ２エッチングでは、第２酸化物層が、ＰＯＬＹ１＿ＰＯＬＹ２＿ＶＩＡエッチングと同じ方法でリソグラフィでパターン付けされ、ＲＩＥによってエッチングされる。図１１は、ＰＯＬＹ１＿ＰＯＬＹ２＿ＶＩＡエッチングとＡＮＣＨＯＲ２エッチングとが終了した後のウェハ断面を示す。
【００４３】
次いで、第２構造層ＰＯＬＹ２（３４）が厚さ１．５μｍで堆積され、それに続いて２００ｎｍのＰＳＧが堆積される。次いでウェハは、ＰＯＬＹ２層にドープし、膜の残留応力を減少させるためにアニールされる。次いで、ＰＯＬＹ２層が７番目のマスクを用いてリソグラフィでパターン付けされ、ＰＳＧ層およびＰＯＬＹ２層がＲＩＥによってエッチングされる。次いで、フォトレジストが剥離され、マスク酸化物が除去される（図１３）。
【００４４】
ＭＵＭＰｓプロセスで最後に堆積される層は、プローブ用、ボンディング用、電気経路決め用および高反射率鏡面の表面を提供する０．５μｍの金属層３６である。ウェハは８番目のマスクを用いてリソグラフィでパターン付けされ、リフトオフ技法を使用して金属が堆積され、かつパターン付けされる。最後の未剥離の例示的な構造を図１４に示す。
【００４５】
最後に、ウェハは既知の方法を使用して犠牲層の剥離および試験を受ける。図１５は、犠牲酸化物が剥離された後のデバイスを示す。
【００４６】
好ましい実施形態では、本発明のデバイスが上述のステップによるＭＵＭＰｓプロセスによって製作される。ただし、本発明のデバイスは図１〜１５の一般プロセスに示された特定のマスクを使用せず、本発明の構造に特有のマスクを使用する。また、ＭＵＭＰｓプロセスについて上述したステップは、ＭＥＭＳ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  Ｃｅｎｔｅｒによる指令によって変わることがある。この製作プロセスは本発明の一部ではなく、本発明を作成するために使用できるいくつかのプロセスの１つにすぎない。
【００４７】
図１６は、本発明によるマイクロエレクトリカルメカニカル面外熱バックルビームアクチュエータ５０の側面線図である。アクチュエータ５０は、基板（たとえば、図示しないが基板１０または窒化物層１２）に固定された１対の構造アンカー５２および５４、および、その基部端縁６０および６２でそれぞれアンカー５２および５４に固定された１つまたは複数の熱バックルビーム５６（複数示す）を含む。バックルビーム５６は実質的に同じであり、実質的に基板と平行に、かつ基板から間隔をあけて延び、アンカー５２および５４のところを除いて基板から解放される。
【００４８】
旋回枠体６４は、一実施態様ではバックルビームの中点（破線７０で示す）と、アンカー５２および５４のうち１つ（たとえば、アンカー５４）との間に位置決めされる結合点６８でバックルビーム５６に固定される枠体基部６６を含む。旋回枠体６４は、１端で枠体基部６６に結合され、アクチュエータ５０が活動化されると面外へ旋回する自由端７４に延びる少なくとも１つの旋回アーム７２（２本示す）をさらに含む。旋回枠体６４は、枠体基部６６が結合点６８に固定されているところを除いて解放され、自由に移動する。図１７は、弛緩状態にあるアクチュエータ５０の側面線図であり、バックルビーム５６に対して概ね平行な、またはそれと共面の旋回枠体６４を示す。
【００４９】
構造アンカー５２および５４とバックルビーム５６は、電気的に半導体性を有し、正の熱膨張係数を有する。たとえば、バックルビーム５６はシリコンで形成される。アクチュエータ５０は、導電性結合部８２および８４ならびに構造アンカー５２および５４をそれぞれ介し、バックルビーム５６を介して電流源８０から電流が通過したときに活動化される。印加された電流によってバックルビーム５６のオーミック加熱またはジュール加熱が誘発され、シリコンの正の温度膨張係数のため、バックルビームが長手方向に延びる。アンカー５２および５４がバックルビーム５６の基部端縁６０および６２を制約しているため、延びるバックルビーム５６がついに湾曲して基板から離れる。一実施態様では、バックルビーム５６が、幅（基板に対して平行）が厚み（基板に対して垂直）より大きい幅広のアスペクト比を有し、基板と平行に湾曲しない偏向または傾倒が得られるように形成される。たとえば、バックルビーム５６は幅３μｍ、厚み２μｍの３：２という幅広のアスペクト比と、長さ１９４μｍを有する。図１８は、活動化状態にあるアクチュエータ５０の側面線図であり、バックルビーム５６の面外湾曲を示す。
【００５０】
アクチュエータ５０の活動化状態でバックルビーム５６が湾曲して基板から離れると、旋回枠体６４の自由端７４が旋回して基板から離れる。旋回枠体６４は枠体基部６６を軸に回転するが、枠体基部６６もまたバックルビーム５６によって持ち上げられて基板から離れる。その結果、自由端７４が移動して、基板から外側へ離れる旋回力または回転力を働かせる。活動化電流が停止すると、バックルビーム５６が冷えて収縮し、これによって旋回枠体６４の自由端７４がその最初の位置に戻る。このような旋回枠体６４の回転たわみは、マイクロ光デバイス（ｍｉｃｒｏ−ｏｐｔｉｃａｌ  ｄｅｖｉｃｅｓ）に使用されるものなどの他のマイクロメカニカル構造の面外配備を提供することを含む様々な用途で使用できる。たとえば、図１６〜１８に示す実施態様では、鏡８６が自由端７４に固定されて旋回枠体６４と共に旋回し、アクチュエータ５０が弛緩状態にあるのか、それとも活動化状態にあるのかによって選択的に光を偏向させる。
【００５１】
バックルビーム５６の幅広のアスペクト比は、概して基板と平行に湾曲するのを妨げる。偏向または傾倒がなければ、基板と垂直のバックルビーム５６の湾曲（たとえば図１８）が任意に起こって基板から離れることも基板に向かうこともでき、前者はアクチュエータ５０の動作にとって必要である。それに応じて、図１９および２０は、基板に向かうのではなく、基板から湾曲して離れるようなバックルビーム５６の偏向または傾倒が得られる偏向構造を示す図である。
【００５２】
図１９は、基板１０（たとえば窒化物層１２）に固定され、かつそこから延びる離隔パッド９０の上に延びた弛緩状態の例示的なバックルビーム５６を示す拡大側面図である。旋回枠体は、見やすくするために示さない。図２０は、活動化状態にある例示的なバックルビーム５６を示す拡大側面図である。たとえば、離隔パッド９０は厚み０．５μｍのＰ０層で形成することができ、またバックルビーム５６は異なる（解放された）層で形成できる。離隔パッド９０は、製作の共形の性質によりバックルビーム５６それぞれに小さな（たとえば０．５μｍ）隆起またはたわみ９４を押し出す。また、窪み９２がバックルビーム５６の各端部付近に形成される。窪み９２は、図のようにバックルビーム５６の底面からの突出部または窪みとして、またはその上面内の凹部として、あるいはその両方として形成できる。たとえば、ＭＵＭＰｓの実施態様では、窪み９２は２μｍのポリ１層内の０．５μｍの凹部として形成でき、基板に接触しない。
【００５３】
離隔パッド９０および窪み９２は、バックルビーム５６が湾曲して基板から離れることを可能にし、バックルビーム５６と基板（たとえば窒化物層１２）の間の静止摩擦を減少させる。典型的なアクチュエータ５０内の複数のバックルビーム５６では、各バックルビーム５６ごとに別々の離隔パッド９０を形成できること、または離隔パッド９０をすべてのバックルビーム５６の下に延びる単一の連続パッドとして形成できることが理解されよう。離隔パッド９０と窪み９２は、個別にまたは一緒に、単独で、またはバックルビーム５６の幅広のアスペクト比と共に使用して、それらが基板から離れるように湾曲するような偏向または傾倒をもたらすことができる。
【００５４】
初期の実験では、アクチュエータ５０が、基板に対して少なくとも約１５度で旋回枠体６４の旋回またはたわみを実現できることが立証された。一実施態様では、枠体基部６６を、バックルビームの中点とアンカー５２および５４のうち一方との中間にある結合点６８に固定すると、旋回枠体６４の最大の旋回またはたわみが得られる。このような結合点６８は、ビーム５６が湾曲したときにその屈曲点に対応し、したがって旋回枠体６４の最大のたわみをもたらす。
【００５５】
一般に本発明は、正の温度膨張係数を有し、オーミック加熱用の電流を運ぶことができる解放可能な層を少なくとも１つ含むどのような製作プロセスにも適合可能である。さらに、アクチュエータとその関連導体が電流と熱を処理でき、ビームが急速に熱を失うことができる限り、バックルビーム５６の数には理論的に制限がない。一実施態様では、加熱温度を８００℃未満に維持し、不可逆性の損傷を引き起こすことがある自己アニールを防止した。
【００５６】
バックルビーム５６ならびにアンカー５２および５４は、アンカー５２および５４を解放しないで、解放可能なＭＵＭＰｓポリシリコン層の一方または両方から製作できる。このようなＭＵＭＰｓ実施態様では、アクチュエータ５０が、可能な厚み１．５、２．０、または３．５μｍを有することができる。ポリシリコンの抵抗率により、アクチュエータは標準的な集積回路（たとえばＣＭＯＳ）と適合する電圧および電流で動作することが可能である。加えて、本発明によるアクチュエータは面積が非常に小さく、比較的大きい力を有する。
【００５７】
一部の動作モードでは、鏡８６と旋回枠体６４が枠体基部６６を軸に振動する振り子を形成し、アクチュエータ５０を共振発振器として動作させることを可能にする。一実施態様では、このような共振モードが１４ｋＨｚで発生し、弛緩状態に対して約２５度の鏡８６のピークたわみをもたらす。このモードでは、バックルビーム５６が近定常状態の湾曲配置を帯びているように見え、鏡８６および旋回枠体６４の静たわみを伝える。これに対してこの実施態様の非共振モードでは、アクチュエータ５０が約２ＫＨｚの半増幅応答、および約５度のたわみを有する。
【００５８】
図２１は、方形（たとえば正方形）の鏡１２０の隣接する辺に整列して互いに直角に位置決めされた複数（たとえば２つ）のアクチュエータ１０２Ａ、１０２Ｂを有するマイクロエレクトリカルメカニカル面外バックルビームアクチュエータアセンブリ１００の例示的な実施態様の平面線図である。アクチュエータ１０２Ａ、１０２Ｂは、アクチュエータ１０２Ａ、１０２Ｂが旋回枠体６４とは異なる旋回枠体１０６Ａ、１０６Ｂを含むことを除いて、それぞれ上述のアクチュエータ５０に類似である。同様に、鏡１０４は鏡８６に類似であるが、旋回枠体１０６Ａ、１０６Ｂへの載置および結合が異なる。次の説明はアクチュエータ１０２Ａを対象とするが、同じ参照番号で示される類似の構成要素を有するアクチュエータ１０２Ｂにも同様に適用される。
【００５９】
アクチュエータ１０２Ａは、基板（たとえば、図示しないが基板１０または窒化物層１２）に固定された１対の構造アンカー５２Ａおよび５４Ａと、その基部端縁でアンカー５２および５４に固定された複数の熱バックルビーム５６Ａとを含む。旋回枠体１１０Ａは、バックルビーム５６Ａに固定された枠体基部１１２Ａと、１端で枠体基部１１２Ａに固定され、アクチュエータ１０２Ａが活動化された際に面外へ旋回する自由端１１６Ａに延びる１つの旋回アーム１１４Ａとを含む。自由端１１６Ａは鏡１２０の１つの隅に取り付けられ、鏡１２０は、腱１２２によって鏡アンカー１２４にリンクされている。
【００６０】
アクチュエータ１０２Ａは、導電性結合部１２６Ａおよび１２８Ａ、ならびに構造アンカー５２Ａおよび５４Ａをそれぞれ介し、バックルビーム５６Ａを介して電流源１２４Ａから電流が通過したときに活動化される。印加された電流によってバックルビーム５６Ａのオーミック加熱またはジュール加熱が誘発され、前述のように、シリコンの正の温度膨張係数のため、バックルビームが長手方向に延びる。
【００６１】
アクチュエータ１０２Ａおよび１０２Ｂは、それぞれ軸１３０Ａおよび１３０Ｂを軸に鏡１２０を傾斜させるように機能する。それぞれの電流源１２４Ａおよび１２４Ｂを有するアクチュエータ１０２Ａおよび１０２Ｂは、傾斜軸１３０Ａおよび１３０Ｂを軸に鏡１２０を任意に傾斜させるため、別々に動作できる。整合された動作によって、アクチュエータアセンブリ１００および鏡１２０は、バーコードまたはベクタイメージスキャナ内のスキャン制御鏡として、あるいは画像形成のラスタスキャンパターンを提供するために使用することができる。
【００６２】
好ましい実施形態の説明のうち一部は、上述したＭＵＭＰｓ製作プロセスのステップを参照している。しかし前述のように、ＭＵＭＰｓは広範なＭＥＭＳデバイス設計に対応する一般的な製作プロセスである。したがって、本発明のため特に設計される製作プロセスは、おそらく異なるステップと、追加のステップと、異なる寸法および厚みと、異なる材料とを含むことになる。このような特定の製作プロセスはフォトリソグラフィプロセスの当業者の知識内にあり、本発明の一部ではない。
【００６３】
本発明の技術的構成が適用でき得る多数の可能な実施形態に鑑みて、詳しい実施形態は例示のためにすぎず、本発明の技術的範囲を限定すると解釈されるべきではないことを理解されたい。また、本発明者は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲に入り得るような実施形態すべてを本発明の技術的範囲に包含されるものとして主張する。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の熱マイクロエレクトリカルメカニカルアクチュエータによれば、従来の熱アクチュエータに匹敵する力で面外運動を実現でき、標準的な集積回路（たとえばＣＭＯＳ）と適合する電圧および電流で動作することが可能で、更に、その面積を非常に小さくすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】マイクロエレクトリカルメカニカルデバイスを製作するための従来技術で周知の一般的なマルチユーザＭＥＭＳプロセス（ｍｕｌｔｉ−ｕｓｅｒ  ＭＥＭＳ  ｐｒｏｃｅｓｓ）の断面図である。斜交線は、描かれた従来技術の構造およびプロセスの見やすさを改善するため省略されている。
【図２】マイクロエレクトリカルメカニカルデバイスを製作するための当技術分野で周知の一般的なマルチユーザＭＥＭＳプロセス（ｍｕｌｔｉ−ｕｓｅｒ  ＭＥＭＳｐｒｏｃｅｓｓ）の断面図である。斜交線は、描かれた従来技術の構造およびプロセスの見やすさを改善するため省略されている。
【図３】マイクロエレクトリカルメカニカルデバイスを製作するための当技術分野で周知の一般的なマルチユーザＭＥＭＳプロセス（ｍｕｌｔｉ−ｕｓｅｒ  ＭＥＭＳｐｒｏｃｅｓｓ）の断面図である。斜交線は、描かれた従来技術の構造およびプロセスの見やすさを改善するため省略されている。
【図４】マイクロエレクトリカルメカニカルデバイスを製作するための当技術分野で周知の一般的なマルチユーザＭＥＭＳプロセス（ｍｕｌｔｉ−ｕｓｅｒ  ＭＥＭＳｐｒｏｃｅｓｓ）の断面図である。斜交線は、描かれた従来技術の構造およびプロセスの見やすさを改善するため省略されている。
【図５】マイクロエレクトリカルメカニカルデバイスを製作するための当技術分野で周知の一般的なマルチユーザＭＥＭＳプロセス（ｍｕｌｔｉ−ｕｓｅｒ  ＭＥＭＳｐｒｏｃｅｓｓ）の断面図である。斜交線は、描かれた従来技術の構造およびプロセスの見やすさを改善するため省略されている。
【図６】マイクロエレクトリカルメカニカルデバイスを製作するための当技術分野で周知の一般的なマルチユーザＭＥＭＳプロセス（ｍｕｌｔｉ−ｕｓｅｒ  ＭＥＭＳｐｒｏｃｅｓｓ）の断面図である。斜交線は、描かれた従来技術の構造およびプロセスの見やすさを改善するため省略されている。
【図７】マイクロエレクトリカルメカニカルデバイスを製作するための当技術分野で周知の一般的なマルチユーザＭＥＭＳプロセス（ｍｕｌｔｉ−ｕｓｅｒ  ＭＥＭＳｐｒｏｃｅｓｓ）の断面図である。斜交線は、描かれた従来技術の構造およびプロセスの見やすさを改善するため省略されている。
【図８】マイクロエレクトリカルメカニカルデバイスを製作するための当技術分野で周知の一般的なマルチユーザＭＥＭＳプロセス（ｍｕｌｔｉ−ｕｓｅｒ  ＭＥＭＳｐｒｏｃｅｓｓ）の断面図である。斜交線は、描かれた従来技術の構造およびプロセスの見やすさを改善するため省略されている。
【図９】マイクロエレクトリカルメカニカルデバイスを製作するための当技術分野で周知の一般的なマルチユーザＭＥＭＳプロセス（ｍｕｌｔｉ−ｕｓｅｒ  ＭＥＭＳｐｒｏｃｅｓｓ）の断面図である。斜交線は、描かれた従来技術の構造およびプロセスの見やすさを改善するため省略されている。
【図１０】マイクロエレクトリカルメカニカルデバイスを製作するための当技術分野で周知の一般的なマルチユーザＭＥＭＳプロセス（ｍｕｌｔｉ−ｕｓｅｒ  ＭＥＭＳｐｒｏｃｅｓｓ）の断面図である。斜交線は、描かれた従来技術の構造およびプロセスの見やすさを改善するため省略されている。
【図１１】マイクロエレクトリカルメカニカルデバイスを製作するための当技術分野で周知の一般的なマルチユーザＭＥＭＳプロセス（ｍｕｌｔｉ−ｕｓｅｒ  ＭＥＭＳｐｒｏｃｅｓｓ）の断面図である。斜交線は、描かれた従来技術の構造およびプロセスの見やすさを改善するため省略されている。
【図１２】マイクロエレクトリカルメカニカルデバイスを製作するための当技術分野で周知の一般的なマルチユーザＭＥＭＳプロセス（ｍｕｌｔｉ−ｕｓｅｒ  ＭＥＭＳｐｒｏｃｅｓｓ）の断面図である。斜交線は、描かれた従来技術の構造およびプロセスの見やすさを改善するため省略されている。
【図１３】マイクロエレクトリカルメカニカルデバイスを製作するための当技術分野で周知の一般的なマルチユーザＭＥＭＳプロセス（ｍｕｌｔｉ−ｕｓｅｒ  ＭＥＭＳｐｒｏｃｅｓｓ）の断面図である。斜交線は、描かれた従来技術の構造およびプロセスの見やすさを改善するため省略されている。
【図１４】マイクロエレクトリカルメカニカルデバイスを製作するための当技術分野で周知の一般的なマルチユーザＭＥＭＳプロセス（ｍｕｌｔｉ−ｕｓｅｒ  ＭＥＭＳｐｒｏｃｅｓｓ）の断面図である。斜交線は、描かれた従来技術の構造およびプロセスの見やすさを改善するため省略されている。
【図１５】マイクロエレクトリカルメカニカルデバイスを製作するための当技術分野で周知の一般的なマルチユーザＭＥＭＳプロセス（ｍｕｌｔｉ−ｕｓｅｒ  ＭＥＭＳｐｒｏｃｅｓｓ）の断面図である。斜交線は、描かれた従来技術の構造およびプロセスの見やすさを改善するため省略されている。
【図１６】本発明によるマイクロエレクトリカルメカニカル面外熱バックルビームアクチュエータの平面線図である。
【図１７】弛緩状態にある図１６のアクチュエータの側面線図である。
【図１８】活動化状態にある図１６のアクチュエータの側面線図である。
【図１９】バックルビームが湾曲して基板から離れるように偏向または傾倒を実現する偏向構造を有する、弛緩状態にあるバックルビームを示す拡大側面図である。
【図２０】バックルビームが湾曲して基板から離れるように偏向または傾倒を実現する偏向構造を有する、活動化状態にあるバックルビームを示す拡大側面図である。
【図２１】複数のアクチュエータを有するマイクロエレクトリカルメカニカル面外バックルビームアクチュエータの例示的な実施態様の平面線図である。
【符号の説明】
１０  基板
１２  窒化物層
１４  ＰＯＬＹ０層
１６  フォトレジスト
１８  犠牲層
２０  窪み
２２  アンカー穴
２４  ＰＯＬＹ１層
２６  ＰＳＧ層
２８  第２ＰＳＧ層
３０  ＰＯＬＹ１＿ＰＯＬＹ２＿ＶＩＡエッチング
３２  ＡＮＣＨＯＲ２エッチング
３４  ＰＯＬＹ２層
３６  金属層
５０  アクチュエータ
５２、５２Ａ、５４、５４Ａ  アンカー
５６、５６Ａ  バックルビーム
６０、６２  基部端縁
７０  バックルビームの中点
７２  旋回アーム
７４  自由端
８０  電流源
８２、８４  導電性結合部
８６  鏡
１００  アクチュエータアセンブリ
１０２Ａ、１０２Ｂ  アクチュエータ
１０４  鏡
１０６Ａ、１０６Ｂ、１１０Ａ  旋回枠体
１１２Ａ  枠体基部
１１４Ａ  旋回アーム
１１６Ａ  自由端
１２０  鏡
１２２  腱
１２４  鏡アンカー
１２４Ａ、１２４Ｂ  電流源
１２６Ａ、１２８Ａ  導電性結合部
１３０Ａ、１３０Ｂ  傾斜軸
【図１】
0004115116.tif 000002
【図２】
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【図３】
0004115116.tif 000004
【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】
0004115116.tif 000011
【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】
0004115116.tif 000019
【図１９】
0004115116.tif 000020
【図２０】
0004115116.tif 000021
【図２１】
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