JP5605952B2 - 電気機械トランスデューサデバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロまたはナノ電気機械トランスデューサデバイスと、電気機械トランスデューサデバイスの製造方法とに関する。

電気機械システムは、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）構造とナノ電気機械システム（ＮＥＭＳ）を含み、ＭＥＭＳおよびＮＥＭＳ構造は、多様な用途に、たとえば自動車のエアバッグ展開用のＭＥＭＳ加速度計、またはゲームコントローラ等の娯楽電子機器、自動車のヨーイングを検知するために使用されるＭＥＭＳジャイロスコープ、光学スイッチ、バイオＭＥＭＳ用途、ＭＥＭＳスピーカ、インクジェットプリンタ、アンテナ移相器等のＲＦ ＭＥＭＳコンポーネントに使用されている。ＭＥＭＳ構造を使用する利点は、これらは機械的特性を有するが、寸法が非常に小さく、既存の半導体処理技術を用いて製造できることを含む。

アクチュエータまたはセンサに使用されてよいＭＥＭＳトランスデューサデバイスは、半導体基板上に製造され、ケイ素または窒化ケイ素等の材料からなる１以上の機械層を有する少なくとも１個の機械積層体と、デバイスを作動すると機械積層体の運動を促進する機能を持った少なくとも１個の機能／作動積層体とを備えた可動構造を含むことができる。作動積層体は、１以上の層を有し、その機械積層体に対する構成および機能は、ＭＥＭＳトランスデューサデバイスのタイプに応じて互いに異なる。たとえば静電気作動デバイスにおいて作動積層体は、機械層の上に形成された可動電極と協働して機械層と可動電極の運動を促進する静電極を有する。磁気作動デバイスにおいて、機能積層体は、外部磁石と協働して可動な機械積層体に外力を加えるように構成された磁気層を有する。それゆえ作動積層体は、機械的ビームまたはカンチレバー等の機械積層体の上に形成された圧電材料または磁気材料等の材料からなる少なくとも１層の作動層を含む多層積層体であってよい。一般にＰＺＴとして知られるチタン酸ジルコニウム酸鉛（Ｐｂ［ＺｒｘＴｉ_１−ｘ］Ｏ_３、０＜ｘ＜１）は、その電気機械的変換特性のために、ＭＥＭＳデバイスで最も普通に使用されている圧電材料である。

図１に示すような圧電的に作動されるＭＥＭＳスイッチデバイスの場合、多層可動構造は、カンチレバーまたはビーム４（窒化ケイ素または酸化ケイ素カンチレバーであってよい）の上に形成されたＰＺＴ膜２と、ＰＺＴ膜に電圧を印加するためにＰＺＴ膜２の何れかの側に形成された電極６および８（プラチナ電極であってよい）を含む。接点１０および１２は、デバイスのスイッチ接点を提供する。周知のようにＰＺＴ膜に電圧を印加することで、ＰＺＴ膜は、圧電によって印加された電圧に応じて膨張または収縮し、これがカンチレバーに応力を与え、その結果カンチレバーが垂直に（積層体に対して垂直方向に）歪むことでＭＥＭＳスイッチデバイスを開閉する。

非特許文献１に記載された論文は、カンチレバー上に形成されたＰＺＴキャパシタを有する圧電作動されるＲＦ ＭＥＭＳスイッチを開示している。

特許文献１は、カンチレバー上の多数の圧電層と、これらの圧電層と交互する金属層とを有する調節可能な電子コンポーネントのための多層圧電スイッチを開示している。したがってこのデバイスは、圧電作動されるスイッチを形成するために、積層された圧電キャパシタを使用する。

少なくとも１個の（たとえば単一アンカーで固定された）自由端を備えた可動構造を有し、一緒に積層された多層材料から構成されたＭＥＭＳトランスデューサデバイスでは、可動構造の歪みは、可動構造をバイメタル板のように形成する互いに異なる材料に対する熱膨張率（ＣＴＥ）の値が互いに異なるために、温度変化に応じて変動できる。たとえば図１の圧電作動されるトランスデューサデバイスでは、図１のプラチナ（Ｐｔ）電極６、ＰＺＴ膜２およびプラチナ（Ｐｔ）電極８を含む層は、窒化ケイ素カンチレバー４の熱膨張率２〜３ｐｐｍ／°Ｃに対しておよそ９．５ｐｐｍ／°Ｃの熱膨張率を有する。したがって動作温度が変化すれば、Ｐｔ／ＰＺＴ／Ｐｔ層は、窒化ケイ素カンチレバーとは別様に膨張（または収縮）し、その結果トランスデューサデバイスの垂直歪み、ひいてはその性能が変化する。たとえば動作温度が１２０°Ｃレンジ以上変化すると、図１の圧電ＭＥＭＳスイッチデバイスは、７μｍの全歪み運動を経験する。トランスデューサの歪みが大きく変化すると、デバイスは、動作不能になることがある。たとえば図１のＭＥＭＳスイッチデバイスでは、温度変化による歪みのためにスイッチが閉じるべきときに開くことがある。

同じ効果は、少なくとも１個の自由端を有し、可動な機械積層体と、可動な機械積層体の上に機能積層体の一部として形成された可動な電極層とを備えた可動構造を有する静電スイッチデバイスにも見られる。これらの２層の材料の熱膨張率の差は、熱的に誘起された作動を生み出すことがある。

少なくとも１個の自由端を有する可動構造に対して説明された歪みは、多層積層体に基づく機械的モーメントまたは力の曲げ効果に起因する。この曲げモーメントは、他の可動構造、たとえば多層積層体に基づく曲げモーメントが構造全体にわたって存在しない固定構造にも同じ効果を及ぼす。このような固定構造は、可動構造の端部で支持または固定された可動構造（たとえば機械層または機械膜）と、可動構造の端部または中心部に配置された作動構造（たとえば圧電作動積層体、静電作動積層体または磁歪作動積層体）を有するトランスデューサデバイスを含んでいる。作動構造は、曲げ効果を有するか、または可動構造に対する曲げモーメントを含んで可動構造を運動させる。上述した自由端の可動構造と同様に、そのような固定構造内に誘起された曲げモーメントも温度変化に応じて変動し得る。

静電スイッチデバイスにおいて、可動構造の熱挙動を補償するために、可動電極と同一の対称的な追加の層を有することによって熱補償を提供することが知られている。

たとえば特許文献２は、静電気の変化によって作動される３層ビームＭＥＭＳスイッチデバイスを開示している。基板上に位置する静電極と可動ビーム上に位置する反対側の可動電極に電圧が印加されると、静電極と可動電極とに等しい反対の電荷が生成される。互いに反対側の電極に電荷が分布すると、今は変形しているビーム上で弾性力によって平衡した静電力が生み出される。電圧が増すと、電荷は、ビーム表面にわたって不均一、かつ非直線的に上昇して、最後に安定点に達する。この安定点は、弾性力が静電力との平衡を維持できなくなることによって定義され、ビームは、飛び移り（ｓｎａｐｓｔｈｒｏｕｇｈ）２個のスイッチ接点パッドを接触させる。この特許は、ビーム上で電極の相互接続がどのように形成されるか、膜応力および温度に誘起されたビーム変形に対する堅牢性を提供するためにどの電極相互接続が可動電極と構造的に整合しているか、または構造的に類似しているかを開示する。この特許は、一実施形態において、機械的平衡を提供するために、電極相互接続は、同じ材料から製造され、等しい寸法で設計されることを教示する。

静電作動デバイスに対しては、デバイスが機能するために、静電極層と組み合わせた１層の（可動）電極層のみ必要とされる。それゆえ、熱応力平衡を実現するために対称的な３層構造を使用するのは、過度に複雑ではない。圧電作動デバイスのように多数の層を有するより複雑なデバイスでは、少なくとも３層（電極／ＰＺＴ／電極）が機能／作動積層体を形成し、機械的ビーム層が機械積層体を形成する。これは熱平衡を達成するのをより困難にする。理論的には、静電作動デバイスで用いられるのと同じ対称的処理法を、熱平衡を達成する試みにおいて使用できよう。

米国特許出願公開第２００５／１２７，７９２号明細書 米国特許第６，７４６，８９１号明細書

「圧電的に作動されるオームＭＥＭＳスイッチの２種類のタイプの設計、製造、およびＲＦ性能」。Ｈｅｅ−ＣｈｕｌＬｅｅ、Ｊａｅ−ＨｙｏｕｎｇＰａｒｋ、Ｊａｅ−ＹｅｏｎｇＰａｒｋ、Ｈｙｏ−ＪｉｎＮａｍ、およびＪｏｎｇ−ＵｋＢｕ。マイクロ工学およびマイクロエンジニアリング誌１５（２００５年）２１０９８〜２１０４頁。 「弾性多層システムにおける熱応力」。Ｃ．Ｈ．Ｈｓｕｅｈ。ＴｈｉｎＳｏｌｉｄＦｉｌｍ４１８（２００２年）１８２〜１８８ページ。

しかしながら現実には、これは製造プロセスの変動のために複雑である。層が多ければプロセス段階が増えて変動も大きくなり、その結果コストが増えて再現性が低下する。また、機械的ビームを堆積する前にＰＺＴ層が存在することは、深刻な汚染懸念のゆえに許されない。

プロセスの制約の点では、機械積層体の両側に同じ材料を置くことは、深刻な汚染問題のゆえ、またはプロセス条件のために必ずしも可能ではない。たとえば機械層の上で金属電極の補償として使用され、機械層の前に作成される金属層は、機械層の材料の温度堆積と両立しない可能性がある。したがって静電作動デバイスに対しても、対称的な可動構造を用いることなく熱安定性を改善するための解決を提案する必要がある。

本発明は、添付の特許請求の範囲に記載された電気機械トランスデューサデバイスおよび電気機械トランスデューサデバイスを形成する方法を提供する。

発明の具体的な実施形態は、従属請求項に記載されている。

発明のこれらの側面およびその他の側面は、以下に記載する実施形態から明白であり、これらの実施形態について明らかにされる。

以下に図面に基づいて発明のその他の詳細、側面および実施形態を例示的にのみ説明する。

典型的な圧電ＭＥＭＳスイッチデバイスの図式的な断面図。 開示の実施形態に従うマイクロ電気機械トランスデューサデバイスの例の一部の図式的な断面図。 可動構造の歪みを計算するために使用される種々のパラメータを示す図２の可動構造の図式的な断面図。 図２に示すＰＺＴ作動ビームの種々の動作温度における歪みの変動を示すグラフ。 図２のマイクロ電気機械トランスデューサデバイスの種々の製造段階における図式的な断面図。 図２のマイクロ電気機械トランスデューサデバイスの種々の製造段階における図式的な断面図。 図２のマイクロ電気機械トランスデューサデバイスの種々の製造段階における図式的な断面図。 図２のマイクロ電気機械トランスデューサデバイスの種々の製造段階における図式的な断面図。 図２のマイクロ電気機械トランスデューサデバイスの種々の製造段階における図式的な断面図。 可動構造の歪みを計算するために使用されるパラメータを示す図２の可動構造の図式的な断面図。 開示の他の実施形態に従うマイクロ電気機械トランスデューサデバイスの例の一部の図式的な断面図。 開示の他の実施形態に従うマイクロ電気機械トランスデューサデバイスの例の一部の図式的な断面図。

図面内の各要素は、単純簡明に示され、必ずしも縮尺通りに描かれていない。

以下の説明および幾つかの図面において、何らかの領域が特定の材料および／またはタイプからなるものとして特定される。しかしながらこれは、単に説明の便のために過ぎず、制限を意図したものではない。当業者は、本明細書で与えられた説明に基づき、様々な材料を使用できること、そして開示は、説明において与えられた特定の例に限定されないことを理解するであろう。

本開示は、圧電作動ＭＥＭＳスイッチデバイスについて説明される。しかしながら開示は、圧電作動ＭＥＭＳスイッチデバイスに制限されず、他のＭＥＭＳトランスデューサデバイス、たとえばセンサ、アクチュエータ、加速度計、光学スイッチ、バラクター、可変誘導子、移相器、磁気、または静電作動トランスデューサデバイスおよび／または類似のデバイスに等しく適用されることが認識されよう。さらに、この開示は、ナノ電気機械システム（ＮＥＭＳ）にも用いることができ、したがってＭＥＭＳデバイスに限定されない。

開示の目的のために、トランスデューサデバイスは、測定、作動、または情報伝送を含む様々な目的のために、あるタイプのエネルギーまたは物理的属性を他のタイプに変換するデバイスである。

加えて、以下の説明では、ＭＥＭＳトランスデューサデバイスの種々の層は、構造内で特定の位置を有するものとして記載されている。しかしながら、種々の層の相対的位置は、記載されたものに限定されることはなく、ＭＥＭＳデバイスのタイプおよび層を形成する材料の熱膨張率の相対的値に応じて互いに異なることが認識されよう。

図２について見ると、開示の実施形態に従うマイクロ電気機械スイッチ（ＭＥＭＳ）デバイス２００の例は、圧電層２１２を含む複数の層２０２と、作動構造の作動に応答して運動可能であるように構成された可動構造２０３とからなる作動構造を有する。たとえば可動構造２０３は、作動構造の層２０２および可動構造２０３の主要な面に対して実質的に垂直な一方向に（たとえば図２に示す線Ａに沿って）運動可能に構成されてよい。図２に示した例では可動構造２０３は、作動構造の複数の作動層２０２と、機械構造２０４と、熱補償構造２０６とを含む。他のＭＥＭＳデバイス、作動構造は、可動構造の一部として少なくとも１層と、可動構造の一部ではない少なくとも１層とを含んでよいことが認識されよう。たとえば静電作動デバイスは、可動構造の一部として形成された可動電極と、基板上に形成された静電極も有する作動構造を含んでよい。プロセスの必要上、可動構造は、さらに追加の薄層、たとえばシード層または緩衝層を含んでよい。図２に示す例において、機械構造２０４は、機械層すなわちビーム２０４を含み、基板２１０上に形成されたアンカー２０８によって支持されたカンチレバーである。アンカー２０８は、図面に示すように構造の一端もあることも、互いに異なる場所に位置することもできる。機械構造２０４は、代替として１層以上含んでよい。可動構造２０３は、少なくとも１個の自由端を有する。ビーム２０４は、作動構造によって、たとえば圧電層２１２に適切な電圧を印加することによって、作動構造の圧電作動に応答して運動するように構成されている。作動構造の作動層２０２は、ビーム２０４とは異なる熱応答特性を有する。

或る層の熱応答特性は、当該層を構成している材料の熱膨張率に依存する。構造に或る層が付加されると、当該層は、熱効果を生み出し、このような層の熱効果は、当該層を構成している材料の熱膨張率およびヤング率等のパラメータと、層の厚さに依存する。機械層２０４の上に形成され、機械層２０４とは異なる熱応答特性を有する作動構造の少なくとも１層２０２によって生み出される熱効果は、温度の変化に応じて可動構造２０３を運動または歪ませる。

熱補償構造２０６は、作動構造の作動層２０２とは異なり、その熱効果が可動構造２０３に加えられると、機械層と、作動構造の少なくとも１層とによって生み出される熱効果を平衡させ、または補償することで、ビーム２０４の運動が実質的に温度の変化に依存しないようにする。熱補償構造２０６は、作動層２０２とは異なってよく、たとえば構造／構成において作動層とは異なってよく、作動層２０２と対称的ではない。図２に示す実施形態において、熱補償構造２０６は、１層または２層のみ有する。一例において、熱補償層２０６は、作動構造の作動層２０２の材料とは異なる材料で形成された補償層を含んでよい。各層の熱効果は、当該層を構成する材料の熱膨張率やヤング率等のパラメータ、他の層に対する位置、および層の厚さに依存するので、たとえば熱補償層２０６の材料を材料の熱膨張率やヤング率等の「固有の」パラメータに従って選択することによって、また、熱補償層２０６が所望の補償を提供するために適切な厚さを有するように構成することによって、熱補償構造２０６は、機械層２０４および作動構造の少なくとも１層２０２によって生み出される熱効果を補償し、または平衡させるように構成されている。

ＭＥＭＳスイッチデバイス２００は、スイッチ接点パッド（図１参照）等を含んでよいが、これら他の要素は、単純化するために示されていないことが認識されよう。

磁気作動ＭＥＭＳデバイスにおいて、作動構造は、可動構造２０３の一部として形成された圧電層の代わりに磁気層を有する。

図２に示す例において、熱補償層２０６と作動層２０２は、互いにビーム２０４の反対側に形成されている。この例では熱補償層２０６の熱膨張率は、実質的に作動層２０２の熱膨張率と等しくなるように設計されている。代替として、熱補償層２０６は、作動層２０２と同じビーム２０４の側に形成されてよい。

図２は、ビーム２０４の上側に形成された作動層２０２も示している。代替として作動層２０２がビーム２０４の下側に形成されて、熱補償層２０６がビーム２０４の反対側、または上述した作動層２０２と同じビーム２０４の側に形成されてよいことが理解されよう。

熱補償層２０６の熱膨張率の選択は、熱補償層の厚さ２２０に依存し、また熱補償層２０６を形成するために使用される材料に依存する。言い換えれば、熱補償層２０６の与えられた材料について、その厚さと可動構造２０３に対する位置（たとえば作動層２０２と同じビームの側または反対側）は、材料の熱膨張率とヤング率に依存する。

熱補償層２０６の厚さと位置は、有限要素シミュレーションまたは解析的分析から導き出すことができる。

多層からなる自由／固定カンチレバービームの歪みの完全な数学的記述は、非特許文献２から導くことができる。図３は、図２に示された多層可動構造もしくはカンチレバーを数学的記述で使用されたパラメータで示したものであり、固定端２０５と自由端２０７を有する。

これらのパラメータに従い、非特許文献２から出発して、熱効果によるカンチレバーの自由端２０７の歪みδは、次式によって得られる。

ここでＥｉは、層ｉのヤング率であり、
ｔｉは、層ｉの厚さであり、
Ｌは、アクチュエータの長さ（図２に示す長さ２１８）であり、
αｉは、層ｉの熱膨張率であり、
ｈｉは、層ｉの頂部と、始点（ｈ０＝０）として用いられる積層体の底部との間の距離であり、
ΔＴは、デバイスが経験する動作温度と基準温度との差である（典型的には２５０°Ｃ）。

熱効果を（少なくとも部分的に）補償し、歪みゼロ度を提供するために、目標は、ΔＴにかかわりなくδ＝０であるような熱補償層２０６の材料と厚さを選択することである。式１およびｃの値に従い、ビームの歪みに対して最初に次式が導かれる。

ここでδ_Ｔは、温度による歪み変化を表し、上方歪みは、正の値であり、
ΔＴ０は、デバイスの全動作温度範囲であり、
ｄｉｊは、それぞれ層の中心で測定された層ｉと層ｊとの間の距離であり、
ｚｉｊは、層ｊが層ｉの上に位置するときには「１」に等しく、層ｊが層ｉの下に位置するときには「−１」に等しい。

そこで熱効果を取り除くための条件は、次のように記述できる。

式２によって記述される歪みは、式３ａによって与えられたｍの値に比例してビームに作用する曲げモーメントに起因する。ｍ＝０ならば、曲げモーメントはなく、したがって歪みもない。このように式３ａをｍ＝０について解くことによって、熱補償層２０６の適切な厚さを決定できる。

開示は、（図２に示すように）自由端を有するビーム構造に対する熱効果を減らすことについて記載しているが、開示は、曲げモーメントに対して敏感な他の構造、たとえば図１１および図１２に示された固定構造にも適用可能であることが理解されよう。この場合も曲げモーメントは、式３ａによって与えられたｍに比例してよい。図１１と図１２に開示された実施形態では、デバイスは、アンカー１２０８、２２０８によって端部で支持または固定された可動構造１２０３、２２０３を有し、可動構造１２０３、２２０３の一部上に形成された作動構造の少なくとも１層１２０２、２２０２を備えている。少なくとも１層は、可動構造の上面または可動構造１２０３，２２０３の底面に形成されてよい。図１２は、作動構造の少なくとも１層が実質的に可動構造の中心部と可動構造の上面に形成されていることを示し、図１１は、作動構造の少なくとも１層が可動構造の端部と可動構造の上面に形成されていることを示している。熱補償構造１２０６、２２０６は、作動構造の少なくとも１層と一緒に配置されている。作動構造は、圧電構造、静電構造、または磁歪構造であってよい。

これらの種類のトランスデューサデバイスに対して、デバイスの作動は、作動層内の応力（作動応力と呼ぶ）σ^Ａの変化と等価であることが知られている。たとえば圧電作動層に対しては、次が知られている。

σ^Ａ／Ｅ＝ｄ_３１Ｖ／Ｔ_Ａ 。

ここでｄ３１は、圧電係数、Ｖは、圧電作動層に印加される電圧、Ｅは、層のヤング率、Ｔ_Ａは、作動層の厚さである。

各層の等価作動応力（最終的には０に等しい）によって定義される多層構造に対して、作動曲げモーメントｍ_Ａは、次式に比例する。

一例において、熱補償構造によって提供される熱補償は、正規の作動（たとえば圧電作動層に電圧を印加することによる）と比較して、ｍとｍ_Ａの比が熱作動を回避する程に十分小さくなるように設計されている。たとえば層の材料と厚さは、ｍ／ｍ_Ａが５０％未満となるように選択されてよい。言い換えれば、一実施形態において熱補償層２０６の厚さの範囲は、式３ａを解き、次にｍとｍ_Ａの比に関する上記の条件、または式３ａの解が存在するパーセンテージ（たとえば１０％）を用いることによって得られる。

図１１は、開示の他の実施形態に従い、作動構造の作動に応答して運動可能に構成された可動構造１２０３を有するＭＥＭＳデバイス１０００を示す。可動構造１２０３は、アンカー１２０８によって機械層１２０４の端部で支持された機械膜もしくは機械層１２０４を含む機械構造１２０４を有する。作動構造は、機械層１２０４の端部に形成された、圧電層１２１２を含む複数の層１２０２を有する。作動構造の複数の層１２０２とは異なる少なくとも１層の熱補償層を有する熱補償構造１２０６は、機械層１２０４の端部に熱安定を促進するための作動構造の層を備えている。図２と同様の構成部材は、同じ参照符号に１０００を加えて示されている。

図１２は、開示の他の実施形態に従い、作動構造の作動に応答して運動可能に構成された可動構造２２０３を有するＭＥＭＳデバイス２０００を示す。可動構造２２０３は、アンカー２２０８によって機械層２２０４の端部で支持された機械膜もしくは機械層２２０４を含む機械構造２２０４を有する。作動構造は、機械層２２０４の実質的に中心部に形成された、圧電層２２１２を含む複数の層２２０２を有する。作動構造の複数の層とは異なる少なくとも１層の熱補償層を有する熱補償構造２２０６は、機械層２２０４の実質的に中心部に熱安定を促進するための作動構造の層を備えている。図２と同様の構成部材は、同じ参照符号に２０００を加えて示されている。

Ｅｉ、αｉ、ｔｉ、ｈｉは、多層可動構造に関与するすべての材料について知られているので、多層可動構造を形成するために使用される製造プロセスと技術的に両立可能な多くの種々の材料を、可動構造を熱的に補償するために選択できる。実際、補償に或る材料を選択した場合、この材料についてＥとαは、知られており、最後に知られていないのは、この層の適切な厚さであり、それは式３ａを解くことによって決定できる。しかしながら幾つかのケースでは、式３ａを解くと負の厚さが導かれることがあり、これは解が存在しないことを意味する。

式３ａは、基板２１０に対する可動構造の歪みの目標が温度に依存しないことである場合に、熱補償層２０６に対して目標とする仕様を定義する。ＭＥＭＳデバイスのそれぞれの用途について、製品仕様から出発して、温度範囲にわたり最大許容変更の変動δｍを定義することが可能である。すなわち温度変動に起因する歪み量は、非ゼロであってよい。たとえば、ＲＦ ＭＥＭＳスイッチに対してδｍは、ＯＦＦ状態に対するスイッチの絶縁特性を維持するように、したがってＯＮ状態に対して理論的歪みが常にギャップよりも大きくなるように定義される。一般に、室温でＯＮ状態とＯＦＦ状態との間の最大歪み変動δａによって定義されるアクチュエータについて、δｍは、δａの分数、たとえば５０％として定義できる。

このケースで式２は、全温度範囲にわたりδ_Ｔの値をδｍよりも低く設定することで、熱補償層２０６の仕様に対する可能な値の範囲を定義するために用いることができる。

式２を単純化する第１方法は、「熱補償層２０６」と呼ばれる層の厚さが、少なくとも他の幾つかの層と比べて小さいと仮定することである。より正確に言うと、熱補償２０６層の番号をｎと選択すれば、式２は、次式によって近似できると仮定される。

ここでｄｉｊ＊は、層Ｎの厚さを考慮しない場合の層ｉと層ｊとの間の距離である。

このとき熱補償層２０６の厚さは、次式によって与えられる。

式５によって与えられる厚さが正であることを保証するために、積層体上の層Ｎの位置を下方または上方に動かして正の値を有する解を提供することができる。なぜなら層Ｎが、積層体の頂部（ｚ_ｉＮは常に正）から積層体の底部（ｚ_ｉＮは常に負）に運動すると、式５の分母の符号は、２個の反対の値を取るからである。

式５によって与えられた熱補償層２０６の厚さの値が許容できる解であるようにするには、非常に厚い熱補償層２０６を有するのを避けるために値が高過ぎてはならない。したがって、ｔ_Ｎに対して小さい値を提供するために、より厚い層の熱特性とはできるだけ異なる熱特性を有する熱補償層２０６を選択する方がよい。

この式２を単純化する別の方法は、すべての層の厚さが１層に比べて小さいと仮定することである。実用的な例において、この１層は、機械層２０４と呼ばれる。この仮定によって式２および式３は、次式によって近似できる。

ここでｉ＝０は、厚さｔ_０を有する最も厚い機械層である。

は、代数的厚さであり、図１０に例示するように機械層の上では正、機械層の下では負であり、

および

である。

この場合、すべての層１〜ｎ−１（上記ｎを除く）に対して与えられた材料から出発すると、ｎ番目の層に対して常に与えられた代数的厚さ（すなわち厚さと位置（頂部または底部））があり、次式によって表される。

熱膨張率の値に依存して、熱補償層２０６の位置は、作動層２０２の側か、またはその反対側であることができる。熱補償層２０６の代数的厚さは、熱膨張率に依存するだけでなく、熱補償層２０６に使用される材料のヤング率の値にも依存する。２次熱効果を呈する補償層のみ有することを避けるために、機械層２０４の熱膨張率とは異なる熱膨張率を有する熱補償層２０６が使用されてよく、これは式５から推定されたことを確認する。

式５または式７は、近似された解に対する第１組のパラメータを見いだすために使用できる。次にこの第１組は、式４または有限要素シミュレーションを用いて調節できる。

再び式５および式７は、熱補償層２０６に対して目標とする厚さを与え、式６ａは、δ_０をδｍと比較して許容値の範囲を定義するために用いられる。

熱補償に対する解が見出されたら、式４ａおよび式６ａは、一般に次式によって表すことができる。

δ_Ｔ＝ａ_０・ｔ_Ｎ−δ_０ 。

ここでδ_０とａ_０は、ｔ_Ｎの値に依存せず、同じ符号を有する（なぜならａ_０に対するδ_０の比は、熱効果解消に対する厚さだからである）。

式４は、たとえばδ_０とａ_０の値を次の通り与える。

この場合、δｍの与えられた値よりも低い最大熱歪みについて、熱補償層２０６に対する可能な厚さの範囲は、

ＳｉＮ機械層またはビーム２０４（熱膨張率＝２．１ｐｐｍ／°Ｃ）を有する熱補償層２０６に適した材料の例は、ＴｉＮ、Ｐｔ、ＷＳｉ（いずれも熱膨張率は約９ｐｐｍ／°Ｃ）を含む。

図２に示す例において、作動層２０２は、ビーム２０４上で長さ２１８にわたって延び、熱補償層２０６は、ビーム２０４上で実質的に同じ長さ２１８にわたって延び、作動層２０２と熱補償層２０６は、ビーム２０４に対して実質的に平行な平面内で実質的に等しい被覆区域を有する。ビーム２０４上で等しい面積を有することによって、ビーム２０４の全長に沿って熱効果によって引き起こされるモーメントは、解消するか、少なくとも減少する。

一例において、作動層２０２は、第１電極２１４と第２電極２１６との間に形成された圧電層２１２を含む、少なくとも１個の圧電キャパシタを有してよい。作動層２０２は、代替として、参照によってこれに組み込まれる特許文献１に開示された配置構成におけるように複数の圧電キャパシタを有してよい。一例において、圧電層２１２は、ＰＺＴ材料によって形成されてよく、したがってＰＺＴ層２１２を含み、第１電極２１４と第２電極２１６は、プラチナ電極である。作動層２０２がＰｔ／ＰＺＴ／Ｐｔ層を含むので、熱補償層２０６の熱膨張率が作動層２０２を熱的に補償するために、熱補償層２０６は、プラチナ層、窒化チタン層、ケイ化タングステン層、チタンタングステン層、窒化チタンタングステン層、窒化タングステン層、または類似の材料のその他の層、またはこれらの材料を組み合わせた１層もしくは２層を含んでよい。窒化チタン熱補償層２０６を有する例では、窒化チタン熱補償層２０６の熱膨張率は、約８〜９ｐｐｍ／°Ｃであり、Ｐｔ／ＰＺＴ／Ｐｔ作動層の熱膨張率は、９．５ｐｐｍ／°Ｃであり、窒化ケイ素によって形成されたビーム２０４の熱膨張率は、２〜３ｐｐｍ／°Ｃであり、したがって熱平衡を達成できる。

図４のグラフは、図２に示すＰＺＴ作動ビームの歪みの変動を、２５°Ｃ〜９０°Ｃの温度範囲における種々の動作温度において、窒化チタン熱補償層２０６と窒化ケイ素ビーム２０４を有するビームの全長にわたって示している。グラフから見られるように、２５°Ｃから９０°Ｃに及ぶ動作温度で歪みの変動は、ほとんどない（＜０．５μｍ）。図４では、Ｘ＝０は、ビーム２０４の固定端２０５に対応している。

図１１または図１２に示すような固定された構造では、応力の平均値は、構造の弾性の変化を誘発する。これは、多層構造の異なる層と熱効果に起因する応力勾配と比較すると、歪みに対する２次効果である。機械構造の熱膨張率が基板に近い場合は、特にそうである（これは基板がケイ素基板であり、ビームが窒化ケイ素であるケースである）。

図２、図５〜図９は、本開示の実施形態に従う電気機械トランスデューサデバイスを形成する方法の例を説明する。単純化するために図には、トランスデューサデバイスの一部しか示されていない。

図５に示すように、半導体基板４００が設けられ、この半導体基板４００の上に犠牲層４０２が形成されている。ここに記載する半導体基板は、任意の半導体材料または材料の組合せ、たとえば窒化ガリウム、炭化ケイ素、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）、シリコン、単結晶シリコン等、および上記材料の組合せからなることができる。たとえば犠牲層４０２は、厚さ１μｍのアモルファスシリコン層であり、プラズマ加速化学的気相成長法（ＰＥＣＶＤ）を用いて堆積されてよい。犠牲層４０２の厚さが熱補償層２０６（図２）と基板４００（図２の２００）との間の空隙の高さを決定する。犠牲層４０２は、他の材料、シリコン、ポリシリコン、二酸化ケイ素によって形成されてよい。

図６に示すように、次に犠牲層４０２の上に層４０５が堆積される。それから層４０５は、パターン形成およびエッチングされて、熱補償層２０６（図２）を形成する。図示された実施形態において、層４０５は、物理蒸着法（ＰＶＤ）で堆積された単層の窒化チタンであり、厚さ１０ｎｍ〜３００ｎｍの単層の熱補償層２０６を形成する。熱補償層２０６に使用されてよい他の材料は、プラチナ、窒化チタン、ケイ化タングステン層、チタンタングステン、窒化チタンタングステン、窒化タングステン、または類似の材料もしくはこれらの材料の組み合わせを含む。２層以上を含む熱補償層２０６の場合は、他の層は、この段階で堆積、パターン形成およびエッチングされてよい。層の数、１以上の層に使用される材料のタイプ、および各層の厚さは、ビーム２０４と作動層２０２の熱効果を補償し、または平衡させる所望の熱効果に従って選択され、したがってビーム２０４と作動層２０２のそれぞれの厚さと熱応答特性に応じて選択されてよい。

図８に示すように、犠牲層４０２の上に、層４０８と熱補償層２０６が堆積される。それから層４０８は、パターン形成およびエッチングされて、最終的に許可される構造に支持と機械的強度を与えるビーム２０４を形成する。一実施形態において層４０８は、低圧化学蒸着法（ＬＰＣＶＤ）を用いて堆積される窒化ケイ素層である。しかしながら層４０８には、他の材料、たとえば二酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、シリコン、ポリシリコン、窒化アルミニウム、または類似の誘電材料が使用されてよい。層４０８は、図９の圧電層２１２に用いられるエッチング法に応じてこの段階または後の段階でパターン形成できる。たとえば図９の圧電層２１２がドライエッチングプロセスでエッチングされる場合、層４０８は、この段階でパターン形成できる。図９の圧電層２１２がウェットエッチングプロセスを用いてエッチングされる場合、層４０８は、後の段階でパターン形成されて、基底に位置する犠牲層４０２をエッチング剤から保護する働きをする。

図９に示すように、次に第１電極２１４が層４０８の上に形成される。第１電極２１４は、たとえばスパッタリング法と当業界で公知のリフトオフプロセスを用いて形成できる。一実施形態において、第１電極２１４は、厚さ５０ｎｍ〜５００ｎｍのプラチナ電極である。他の実施形態において、第１電極２１４は、酸化ルテニウム、イリジウム、酸化イリジウム、ルテニウム、二酸化ルテニウム、金、銅、または他の適切な金属によって形成されてよい。

次に第１電極２１４の上に圧電層２１２が形成される。圧電層２１２は、たとえば厚さ５０ｎｍ〜３μｍのＰＺＴ層からなり、たとえばゾルゲル法を用いて堆積され、それからパターン形成され、多様なドライエッチング技術またはウェットエッチング技術でエッチングされる。圧電層２１２のための代替材料は、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、ＰＬＺＴ、ＰＭＮＴ、または類似の材料を含む。

次の圧電層２１２の上に第２電極２１６が形成される。第２電極２１６は、たとえばスパッタリング法と当業界で公知のリフトオフプロセスを用いて形成できる。一実施形態において、第２電極２１６は、厚さ５０ｎｍ〜５００ｎｍのプラチナ電極である。他の実施形態において、第２電極２１６は、酸化ルテニウム、イリジウム、酸化イリジウム、ルテニウム、二酸化ルテニウム、金、銅、または他の適切な金属によって形成されてよい。第２電極２１６は、第１電極２１４と同じ材料か、または異なる材料によって形成されてよい。

熱補償層２０６とＰｔ／ＰＺＴ／Ｐｔ層２０２は、ビーム２０４の表面上に等しい被覆区域を有するように構成されている。互いに異なる層を整合させるためにフォトリソグラフィーが用いられてよい。

次に、図示されないが、幾つかの積層された圧電キャパシタを有する構造を提供するために追加の圧電層が形成されてよい。

図示および説明されないが、ＭＥＭＳスイッチデバイス２００を構成する間に、可動構造２０３を基板２１０上に支持するために少なくとも１個のアンカー２０８が形成されることが認識されよう。

この後はＭＥＭＳトランスデューサデバイスの製造は、標準プロセスに従って続けられてよい。これは、たとえば焼きなまし段階の実行および最後の金属層の形成を含んでよい。さらに、犠牲層４０２および４０６が当業界で公知の化学的除去法、たとえばフッ化水素酸によって取り除かれて、図２に示すような構造を提供する。

上述したように、単純化するためにトランスデューサデバイスの一部のみの製造について記載した。デバイスの他の要素、たとえばスイッチ接点パッドをいかに形成するかは、当業者にとって明白であろう。

要約すると、たとえば図２に基づいて説明したトランスデューサデバイスは、少なくとも１層の作動層と機械層を含む可動構造の熱効果を平衡させ、もしくは補償するために熱補償層２０６を使用して、広い温度範囲にわたって熱的に安定なデバイスを提供する。少なくとも１層の作動層とは異なる熱補償層２０６、たとえば１層もしくは２層のみ含み、またはプロセスと両立可能な異なる金属で形成された熱補償層２０６を用いることで、開示に従うトランスデューサデバイスは、作動構造と対称的な補償構造を用いる必要がなく、したがってコストの著しい増加や複雑なプロセスを伴うことなく熱的安定を達成できる。圧電作動デバイスの場合、非常に複雑な対称的補償構造を回避できるが、これは対称的補償構造に比べて著しく少ない製造工程バリエーションに基づき所定数の処理段階とバリエーションで熱平衡を達成できることを意味する。また、機械層を堆積する前に補償構造を形成することで汚染問題も回避できる。

以上、発明は、片持ちビーム構造に関して説明された。しかしながら、上述した熱補償層２０６は、他のビーム構成（たとえば二重支持ビーム）またはプレート、または少なくとも１個の自由端もしくは少なくとも１個の非支持端もしくは固定構造（支持端または固定端）を有する類似の配置構成にも適用でき、片持ちビーム構造に限定されるものでないことは、認識されよう。より一般的には上述した熱補償構造は、曲げモーメントを誘起するために層内に応力を生成させることによって作動されるように設計されたデバイスに適用できる。

この明細書において発明は、発明の実施形態の特定の例に関して説明された。しかしながら、特許請求の範囲に記された発明のより広い範囲を逸脱することなく、様々な変容および変更が可能であることは、明らかであろう。

Claims (16)

1. 半導体基板（２１０）上に形成されたマイクロまたはナノ電気機械トランスデューサデバイス（２００）であって、前記マイクロまたはナノ電気機械トランスデューサデバイス（２００）は、作動構造（２０２）の作動に応答して運動するように構成された可動構造（２０３）を有し、前記作動構造（２０２）は複数の層を有し、
   前記可動構造（２０３）は、
   第１熱応答特性を有する少なくとも１層の機械層を備えた機械構造（２０４）と；
   第１熱応答特性とは異なる第２熱応答特性を有する前記作動構造（２０２）と；
   前記作動構造（２０２）とは非対称の少なくとも１層の熱補償層を備えた熱補償構造（２０６）と
   を有し、
   前記熱補償構造（２０６）は、前記作動構造（２０２）よりも少ない層を有し、
   前記半導体基板（２１０）に対する前記可動構造（２０３）の歪みが温度変化には依存しないように、前記熱補償構造（２０６）は、前記機械構造（２０４）と前記作動構造（２０２）とによって生み出される熱効果を補償するように構成され、
   前記熱補償構造（２０６）は、補償材料の熱膨張率とヤング率とに従って選択された当該補償材料によって形成され、
   前記熱補償構造（２０６）は、前記熱効果を補償する厚みを有する
   ことを特徴とする、マイクロまたはナノ電気機械トランスデューサデバイス。
2. 前記作動構造（２０２）は、圧電層（２１２）または磁気層を含む複数の層（２０２）を有し、
   前記作動構造（２０２）のこれら複数の層は、前記複数の層の圧電作動または磁気作動に応答して運動可能である前記可動構造（２０３）の一部を形成している、
   請求項１記載のマイクロまたはナノ電気機械トランスデューサデバイス。
3. 前記作動構造（２０２）の前記複数の層は、第１電極層（２１４）と第２電極層（２１６）との間に、圧電層（２１２）を有する、
   請求項２記載のマイクロまたはナノ電気機械トランスデューサデバイス。
4. 前記熱補償構造（２０６）は、１層または２層のみ有する、
   請求項１〜３何れか一項記載のマイクロまたはナノ電気機械トランスデューサデバイス。
5. 前記熱補償構造（２０６）は、前記作動構造（２０２）の材料とは異なる補償材料によって形成された層（２０６）を有する、
   請求項１〜４何れか一項記載のマイクロまたはナノ電気機械トランスデューサデバイス。
6. 前記作動構造（２０２）は、さらに前記半導体基板（２１０）上に形成された層を有している、
   請求項１または４記載のマイクロまたはナノ電気機械トランスデューサデバイス。
7. 前記熱補償構造（２０６）は、前記機械層（２０４）に隣接している、
   請求項１〜６何れか一項記載のマイクロまたはナノ電気機械トランスデューサデバイス。
8. 前記熱補償構造（２０６）は、第３熱応答特性を有する少なくとも１種類の補償材料によって形成され、
   前記第３熱応答特性は、補償材料の熱膨張率に依存している、
   請求項１〜７何れか一項記載のマイクロまたはナノ電気機械トランスデューサデバイス。
9. 前記熱補償構造（２０６）は、前記作動構造（２０２）と同じ熱膨張率を有する、
   請求項１〜８何れか一項記載のマイクロまたはナノ電気機械トランスデューサデバイス。
10. 前記熱補償構造（２０６）と、前記可動構造（２０３）の一部を形成する前記作動構造（２０２）とは、互いに前記機械構造（２０４）の反対側に形成されている、
    請求項１〜９何れか一項記載のマイクロまたはナノ電気機械トランスデューサデバイス。
11. 前記可動構造（２０３）の一部を形成する前記作動構造（２０２）は、前記機械構造（２０４）に対して平行な面内で第１区域を占め、
    前記熱補償構造（２０６）は、前記機械構造（２０４）に対して平行な面内で第２区域を占め、
    前記第２区域は、前記第１区域に等しい、
    請求項１〜１０何れか一項記載のマイクロまたはナノ電気機械トランスデューサデバイス。
12. 前記マイクロまたはナノ電気機械トランスデューサデバイス（２００）はさらに、
    前記可動構造（２０３）を支持するために前記半導体基板（２１０）上に形成されたアンカー（２０８）を有し、
    前記可動構造（２０３）は、少なくとも１個の非支持端部を有する、
    請求項１〜１１何れか一項記載のマイクロまたはナノ電気機械トランスデューサデバイス。
13. 前記マイクロまたはナノ電気機械トランスデューサデバイス（２００）はさらに、
    前記可動構造（２０３）の端部で前記可動構造（２０３）を支持するために前記半導体基板（２１０）上に形成されたアンカー（２０８）を有し、
    前記作動構造（２０２）と、少なくとも１層の前記熱補償層（２０６）とは、前記可動構造（２０３）の一部の上に位置する、
    請求項１〜１０何れか一項記載のマイクロまたはナノ電気機械トランスデューサデバイス。
14. 前記熱補償構造（２０６）の厚さは、次式を解くことによって得られ、
    ここでＥｉは、層ｉのヤング率であり、
    ｔｉは、層ｉの厚さであり、
    αｉは、層ｉの熱膨張率であり、
    ｄｉｊは、それぞれの層の中心で測定された層ｉと層ｊとの間の距離であり、
    ｚｉｊは、層ｊが層ｉの上に位置するときには「１」に等しく、層ｊが層ｉの下に位置するときには「−１」に等しい、
    請求項１〜１３何れか一項記載のマイクロまたはナノ電気機械トランスデューサデバイス。
15. 作動構造（２０２）の作動に応答して運動するように構成された可動構造（２０３）を有するマイクロまたはナノ電気機械トランスデューサデバイス（２００）を、半導体基板（２１０）上に製造する製造方法であって、前記製造方法は、
    第１熱応答特性を有する少なくとも１層の機械層を備えた機械構造（２０４）を提供することと；
    複数の層の前記作動構造（２０２）を提供することであって、前記作動構造（２０２）の前記複数の層は、前記第１熱応答特性とは異なる第２熱応答特性を有することと；
    前記作動構造（２０２）とは非対称の少なくとも１層の熱補償層を有する熱補償構造（２０６）を提供することであって、前記熱補償構造（２０６）は前記作動構造（２０２）よりも少ない層を有し、前記半導体基板（２１０）に対する前記可動構造（２０３）の歪みが温度変動には依存しないように、前記熱補償構造（２０６）は前記機械構造（２０４）と前記作動構造（２０２）とによって生み出される熱効果を補償するように構成されることと
    を有し、
    前記熱補償構造（２０６）を提供することは、
    前記熱補償構造（２０６）のための材料を、材料の熱膨張率とヤング率とに従って選択することと；
    熱効果を補償するための厚さを有するように、前記熱補償構造（２０６）を構成することと
    を有することを特徴とする、マイクロまたはナノ電気機械トランスデューサデバイスの製造方法。
16. 前記熱補償構造（２０６）の厚さは、次式を解くことによって得られ、
    ここでＥｉは、層ｉのヤング率であり、
    ｔｉは、層ｉの厚さであり、
    ｃｉは、層ｉの熱膨張率であり、
    ｄｉｊは、それぞれの層の中心で測定された層ｉと層ｊとの間の距離であり、
    ｚｉｊは、層ｊが層ｉの上に位置するときには「１」に等しく、層ｊが層ｉの下に位置するときには「−１」に等しい、
    請求項１５記載の製造方法。