JPH08511355A - 光・電気・機械デバイスまたはフィルタ、その製造方法、およびそれらから製造されるセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、振動運動が、光起電力エネルギー変換デバイス上に投げかけられる放射エネルギーに結合される、共振半導体部材を使用する、デバイスおよびその応用例に関する。本発明は、振動動作がその他の方法で影響を受け、その影響が光学的に読み取られる、そのようなデバイスにも関する。光学方法を使用して、マイクロビームを駆動し、マイクロビームの振動を検知し、ある条件が満たされた場合、電子光学構成要素を介在させずに自己共振を発生させ、そのため、圧電抵抗器、駆動電極、電気接点、および電気的相互接続用の金属被膜が不要になる。ウェハのキャビティまたはその他の空間のほぼ全体にわたって、あるいは完全に全体にわたって延びる、一方の電気型（ｐまたはｎ）の共振マイクロ構造体部材をウェハの上方に形成する。キャビティの壁またはフロアのある位置に、逆の型（ｐまたはｎ）の材料の領域がある。この２つの型の間の界面は、ｐ−ｎ接合部であり、光起電力構造の最もよく知られている態様である。可とう性部材および逆の型の領域はほぼ、駆動放射エネルギーの経路中にあるべきである。本発明のデバイスは、光・電子・機械的に結合されたホトダイオードとして働き、入射駆動光によって可とう性部材を逆の型の領域に静電的に引きつけさせる。可とう性部材を基板あるいは一体型カバーまたは頂部キャップに近接させると、部材のわずかな変位によって反射光の強度を大きな変調することができるファブリ・ペロー干渉計が形成される。好ましい態様は、真空排気されたカプセル内に位置する振動部材を有する。頂部キャップが前記部材の一方の面を密封し、前記部材が取り付けられ、あるいは形成されたウェハが他方の面を密封する。圧力センサ、加速度計、音響範囲装置、温度感応装置などの応用例がある。

Description

【発明の詳細な説明】 光・電気・機械デバイスまたはフィルタ、 その製造方法、およびそれらから製造されるセンサ 本発明は、振動運動が光起電力エネルギー変換装置上に加えられる放射エネル ギーに結合される共振半導体部材を使用するデバイスおよびその応用例に関する 。本発明は、振動動作がその他の方法で与えられ、その影響を光学的に読み取る ことができるそのようなデバイスにも関する。このようなデバイスは、場合によ っては自己共振型のものでもよい。この特許の全体にわたって、光および光エネ ルギーまたは放射エネルギーの語は、等価の語として使用され、すべての有用な 形の放射エネルギーをカバーするその最も広い意味を有するものである。 発明の背景 現在の所、知られている共振デバイスは直接光・電気・機械結合によって駆動 されている。本発明は同様に駆動され、光学的に読み取ることができる。吸収さ れた放射の結果として生じる温度の変化によって駆動されるいくつかの光・熱・ 機械デバイスが文献に記載されているが、このようなデバイスは、本明細書で教 示する構造も原則も使用しない。光・熱駆動の参考文献としては、たとえば”Ｏ ｐｔｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ” Ｄｉｏｇｅｎｅ ｓ ＡｎｇｅｌｉｄｉａおよびＰｈｉｌｉｐ Ｐａｒｓｏｎｓ著，Ｏｐｔｉｃａ ｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，第３１巻（１９９２年）１６３８ページないし１ ６４２ページを参照されたい。”Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ” Ｋｏｚｅｌ等著 ，Ｓｏｖｉｅｔ Ｔｅｃｈ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１７（１１），Ｎｏｖ．１９ ９ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ， １９９２年）および”Ｐｈｏｔｏｔｈｅｒｍａｌ Ｓ ｅｌｆ−Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｒｅ ｓｏｎａｔｏｒｓ”やはりＫｏｚｅｌ等著，Ｏｐｔ．Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ （ＵＳＳＲ）６９（３），１９９０年９月，００３０−４００ｘ／９０／０９０ Ａｍｅｒｉｃａ）も参照されたい。 共振ビーム駆動に関する他の興味深い変形例は、”Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅ ｒ Ｓｅｎｓｏｒｓ Ｕｓｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｉｌｉ ｃａ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ”Ｊｏｎｅｓ，Ｎａｄｅｎ，および Ｎｅａｔ著，ＩＥＥ第１３５巻（第Ｄ部）（１９８８年）３５３ページないし３ ５８ページおよび”Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ Ｓｅ ｎｓｏｒｓ”ＬａｎｇｄｏｎおよびＤｏｗｅ著，ＳＰＩＥ，第７９８巻，Ｆｉｂ ｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｓｅｎｓｏｒｓ ＩＩ（１９８７年），８６ページないし９ ３ページに記載されている。Ｊｏｎｅｓ、Ｎａｄｅｎ、およびＮｅａｔの論文で は、これらの研究者が（熱弾性効果を使用して）光熱的に励起された自己共振デ バイスを構築することが可能であろうと考えてはいるが、この目的のためのシリ コンが不適当であると確信している（３５８ページ）ことに留意されたい。Ｗｉ ｓｃｏｎｓｉｎ Ａｌｕｍｎｉ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎに譲 渡された米国特許第５１８８９８３号と、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｉｎｃ．に譲渡 された国際出願第ＰＣＴＵＳ９３／０８４０４号には、静電駆動と圧抵抗検知を 組み込んだ共振マイクロビームに関する従来技術の関連教示が記載されている。 これらの場合、静電励起は、小交流電圧を印加してマイクロビームを刺激するこ とによって生成される力を使用して行われる。マイクロビームのたわみの検知は 、応力感応抵抗素子を使用して行われる。振動動作には、電子増幅・位相補正回 路が必要である。本明細書で開示した手法では、マイクロビームを駆動し、マイ クロビームの振動を検知し、ある条件が満たされた場合、電子光学構成要素を介 入させずに自己共振を発生させ、したがって、圧電抵抗器、駆動電極、電気接点 、および電気相互接続用の金属被膜が不要になる。この結果、マイクロビーム構 成が簡略化されるので、処理ステップが減少し、老化や劣化の原因がなくなり、 マイクロビーム間の一致を向上させることができ、マイクロビームを大幅に薄く して感度を増大させ、同時にチップ寸法およびコストを低減させることができる 。 本明細書に記載したものに類似の構造を構築するうえで有用な背景技術または 構築技術については、”ＰＯＬＹＳＩＬＩＣＯＮ ＲＥＳＯＮＡＮＴ ＭＩＣＲ ＯＢＥＡＭ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＦＯＲ ＨＩＧＨ ＰＥＲＦＯＲＭＡＮＣ Ｅ ＳＥＮＳＯＲ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ”Ｇｕｃｋｅｌ等著，０−７８０ 一般に、本明細書のデバイスは、連続光信号またはパルス／変調光信号によっ て駆動できる自己共振部材を有するデバイスと、タイミング・パルスの光信号に よって共振するように駆動される可とう性部材を有するデバイスの２つの可能な 基本態様を有する。一般に、このうちのどちらも、部材で発生する振動に直接関 係するリズムで光入力に影響を及ぼす。というのは、可動部材の反射率が、各振 動ごとに循環的に変化するからである（光が存在するときしか共振しない逆バイ アスｐ−ｎ接合ホトダイオードを使用する第３の態様も記載されている。この第 ３の態様は、顕著な利点と欠点とを有する）。 可とう性部材のこのような振動およびその率は、共振部材に対するその他の環 境の影響、たとえば、応力およびひずみ、温度、圧力、加速、音響などの影響を 受ける。測定中の影響に関するより良い信号雑音比を得るために前記部材の構造 を変化させることができ、したがって、温度の検知には、短いカンチレバー・ビ ームの方がよく、ひずみの検知には、２つの長手方向端部で接続された比較的長 いビームの方がよい。マルチビーム・デバイスも有用である。本明細書ではいく つかの変形例を教示する。 したがって、たとえば、本発明を使用して、圧力、重量、温度などを含め多数 の実際の検知ニーズを容易に満たすことができる。さらに、より大きなダイアフ ラムなど、より大きな構造にこのようなデバイスを追加して、ダイアフラムを較 正し、あるいは、容量性信号、抵抗性信号、またはその他の検知発信信号を使用 してより大きなダイアフラムを直接測定することによって得ることができるより も正確な読取り値を与えることができる。 この特許の教示の範囲から逸脱せずに構造自体の多数の変形例が可能であり、 それらの変形例は、本明細書の請求の範囲でカバーされる。 発明の概要 最も簡単な態様では、ウェハ中のキャビティまたはその他の空間のほぼ全体に わたって、あるいは完全に全体にわたって延びる、一方の電気的型（ｐまたはｎ ）の共振マイクロ構造部材をウェハ上に形成するだけでよい。キャビティの壁ま たはフロアのある位置に逆の型（ｐまたはｎ）の材料の領域がある。２つの型の 間の界面は、ｐ−ｎ接合部と呼ばれ、光起電力構造の最も良く知られている態様 である。この光起電力構造の位置は重要である。可とう性部材および逆の型の領 域は、ほぼ駆動放射エネルギー（以下、簡単に「光」と呼ぶ）の経路中にある。 本発明の他の態様では、部材と同じ型の領域が、部材と電気的に同じ空間で延び 、かつ部材がキャビティを横切って位置し、あるいは逆の型の領域から離隔して いる場合、駆動光はその領域に当たる。ベース中の光起電力デバイスは、ｐ−ｎ 接合以外の方法で形成することもできる。このような方法には、ｐ−ｉ−ｎダイ オード、金属半導体接合、または表面電位をバルクと異なるものにする表面状態 が含まれる。このような表面状態は、部分空乏、完全空乏または反転した表面層 をもたらす可能性がある。これらの構造はすべて、可とう性部材を駆動するのに 十分な光起電力効果を示すことができる。本明細書で「逆の型」の材料または領 域とは光起電力構造を指す。光起電力構造の位置は重要である。 部材の運動は、ブランコ上の子供を押すときの運動に類似するものとすること ができる。すなわち、ブランコが下向きの運動を始めたときに子供を押す。言い 換えると、振動を維持する駆動力は、速度と同じ方向であり、あるいは同位相で なければならない。この類似を完全にするために、部材が逆の型の領域の方へ移 動するとき、部材を引きつける駆動電圧を最大にする。 本発明のデバイスは、光・電気・機械的に結合されたホトダイオードとして働 き、入射駆動光によって可動部材または可とう性部材を逆の型の領域に静電的に 引きつけさせる。したがって、本発明は、ホトダイオードで生成された静電力を 介して光エネルギーを機械的共振または機械的運動に結合するものである。本明 細書では、本発明がそのように動作する理由と考えられるものを開示するが、最 終的に、他の物理理論によって、本発明の動作の理由が異なるものであることが 示される可能性もある。しかし、本発明と同様に光エネルギーを直接、機械エネ ルギーに静電結合するデバイス構造を以前に教示した者はいない。さらに、基板 、あるいは一体型カバーまたは頂部カバーに可とう性部材を近接させると、部材 を わずかに変位させることによって、反射光の強度を大きく変調することができる ファブリー・ペローの干渉計が形成される。もう一度強調しておくが、本発明者 の知る限りでは、本発明と同様に光エネルギーを直接、機械エネルギーに静電結 合するデバイス構造を教示した者はいない。 好ましい態様は、真空排気されたカプセル内に位置する振動部材を有する。頂 部キャップが部材の一方の面を密封し、部材が取り付けられ、あるいは形成され たウェハが他方の面を密封する。現在好ましい態様では、光が部材に垂直に入射 し、逆の型の領域が、部材の下方で、直接その光経路中に位置するように位置決 めされる。真空排気され封止された態様が好ましい。しかし、たとえば、パルス 光信号または変調光信号を使用して可とう性部材を駆動する場合や、本発明の用 途にとって自己共振が必要でも、望ましくもない場合、非真空排気態様および最 適ではないその他の構造がデバイスに有用であり、デバイスに受け入れることが できる。 光路は、カバーに対してある角度をもたせ、共振部材を通過させて、適当に位 置決めされた逆の型の領域に反射させることもできる。 様々な形状の漏れキャビティ、またはフラップ、あるいは部材の穴のヒンジ付 きカバーを有する様々な態様を使用して流体をポンピングすることができる。複 数の可とう性部材、様々な形状の部材、および多数の逆の型の領域を有する他の 変形態様を構築することができる。たとえば、本発明を使用して、マイクロ封止 された音叉を駆動することができる。 現在最も好ましい態様では、可とう性部材の厚さは、駆動光の波長の４分の１ の奇数倍であるべきであり、可とう性部材と逆の型の領域の間のキャビティまた は空間は、入射光の波長の２分の１の倍数よりもある程度小さくすべきである。 可とう性部材および真空密閉シェルの上方のキャビティは、波長の２分の１より もある程度大きくすべできある。可とう性部材は、その好ましい末端位置間でλ ／２およびλ／４で振動する（反射が同じ位相関係を有するので、λ／２または その倍数を加算または減算することによって常に距離を変更できることに留意さ れたい）。 逆の部材側にキャップが使用される場合、キャップは逆の型の領域とは振動部 材の両面のキャビティ空間の和が波長の２分の１の偶数倍数になるように離隔す べきである。 ひずみトランスデューサとしての現在最も好ましい態様では、可とう性部材は 、両端で固定されたビームであり、ビームの下方に光起電力デバイスを有する。 温度に反応する基準トランスデューサは、一端のみで固定されたビームを使用す る。マイクロビームおよびその上方および下方の空間の厚さは、光起電力デバイ スを透過する光が、ビームが光起電力デバイス（または逆の型の領域）から偏向 されたときに増大し、ビーム自体の復元力によって逆の型の領域の方へ偏向され たときに低減するように選択すべきである。駆動電極と可とう性部材の間の静電 力が光強度と共に増加するので、この構成では、自己共振動作に有用な正の帰還 条件がもたらさせれる。この「正の帰還」については、後で図に関してさらに詳 しく説明する。 これは、動的デバイスとなるのに十分な照明の下で駆動電圧を発生させ、すな わち、ビームの静止位置を不安定にして共振を開始させることができる光起電力 デバイスを意味する。したがって、本発明は、いわゆる「活動デバイス」のクラ スの部材について説明する。 部材／キャビティ／キャップ／逆の型の領域構成が、最も好ましい空間構成で はないケースでも、パルス光源または変調光源を使用して、駆動光パルスのタイ ミングに関係する共振を部材で発生させることができる。部材の表面から反射す る光から得られる信号の変調は、可とう性部材の共振周波数に影響を及ぼす環境 の変化（ひずみ、温度など）によってもたらされる。縦長の部材またはビームは 、やはり使用することができる振動運動の他の特性を示す。読取り周波数に関し ては、自己共振、変調駆動光を共振周波数に同期させるフェーズ・ロック・ルー プ、たわみ部材の表面からの反射によって返される反射光信号のピークの「リン グダウン」、駆動光の変調周波数が走査される周波数走査の少なくとも４つの方 法がある。 反射光を受ける現在好ましい方法は、光を供給するのと同じ光路によるもので ある。反射光路（光ファイバまたは一体型導波管が好ましい）は、反射光を光検 出器の方へ向けるビーム・スピリッタ（３ｄｂ光ファイバ・カプラであることが 好ましい）を有し、部材が逆の型の領域に対して最も遠い点での最小信号と、部 材が前記領域の最も近くの点まで移動したときの完全信号に対応する、振動時の 部材の運動を表す信号がもたらされる。このビーム・スピリッタは、光ファイバ ・ケーブルでよく、共振デバイスと同じチップ上のガイドに取り付けることがで きる。ただし、その他の導波管構造を使用することができる。類似の光学系を説 明する図は、上記で引用した１９９０年９月のＫｏｚｅｌ等の論文にある。一体 型窒化ケイ素導波管を好ましい技法として使用して、入射放射をシェルへ送り、 シェルを介して下向きに反射させ、光起電力デバイスまたは光起電力領域に入射 させることもできる。同じ導波管が戻り光を運ぶ。 たわみ部材の共振は、ビーム形部材に関して調査されている。たとえば、複数 の共振周波数を含め固有共振周波数を記載したＺｏｏｋ等著”Ｃｈａｒａｃｔｅ ｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｍｉｃｒ ｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ，３５（１９９２年）５１ページない し５９ページを参照されたい。「マイクロビーム」の語を使用して共振部材を説 明すると好都合であるが、本発明はビーム形部材だけに限られるものではない。 この説明では、混同を避けるために、「ビーム」の語は、光線を指すためにのみ 使用される。 たとえば、本発明を使用するデバイスを使用して、光が１回転当たりにある限 られた回数（たとえば１回）しかデバイスに当たらないようにデバイスに関連付 けて配置された回転軸の速度を測定することができる。これは、部材の共振周波 数が軸の回転速度よりもずっと高いからである。 そのようなデバイスを使用して、温度、圧力、ひずみ、力、加速度を測定する ことができ、あるいは、デバイスがそのような外乱から絶縁されている場合にタ イマとして使用することもできる。そのようなデバイスは、マイクロフォン、ハ イドロフォン、光変調器、および音波発生器として使用することができる。現在 利用可能な技法で多数の部材／キャビティ／逆の型の領域構成が可能であり、本 明細書の図面は、そのうちのいくつかを表すに過ぎない。 この教示によって構築されたデバイスは、低電力、高雑音耐性、高信号雑音比 、 ディジタル光出力、チップ上の金属化が不要であること、いくつかの好ましい態 様での自己共振の能力など自明で顕著な利点を有する。このようなデバイスは、 磁界センサ、増幅器、ミキサ、フィルタ、および腐食センサとして使用すること もできる。さらに、このようなデバイスを、バイモル構成で異種材料に結合する と、それを使用して磁界、電界、湿度、温度、化学吸着を測定することができ、 あるいは近接センサとして使用することができる。 ｐ−ｎ接合ホトダイオードによってデバイスの動作を最も容易に視覚化するこ とができ、この教示全体にわたってｐ−ｎ接合ホトダイオードについて説明する が、ｐ−ｉ−ｎ接合、金属半導体接合、部分空乏表面状態、完全空乏表面状態、 または反転表面状態など光電圧を生成する物理機構なら十分であることを理解さ れたい。好ましい構成材料は現在の所、シリコンの単結晶、または多結晶である 。ただし、特に有用な応用例は、ＳｉＣ、ダイアモンド、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＮ 、ＧａＮ、またはＧａＡｌＡｓ、あるいはその他のＩＩＩ−ＶまたはＩＩ−ＶＩ で構成された構造から得ることができる。これらの材料が好ましいのは、高温で の動作を可能にする特性を共有するからである。高温応用例では、高温で使用で きる圧電特性およびバルク光起電力効果を有するＧａＮなど広バンドギャップ半 導体を使用すると有利である。現在の所、チップ上で金属化を必要としないこと は大きな利点であるが、ある種の金属化が可能であり、ある種の状況ではそれが 有用であり望ましい。 必要なのは、部材が振動したときに検知波長での構造の反射を適当に変化させ るのに十分なＱおよび屈折率を有する構成材料だけである。 図面の簡単な説明 第１ａ図は、可とう性部材の振動運動のあるモーメントを示す、本発明の好ま しい一実施形態によって構築されたデバイスを含むウェハの上部の断面図である 。 第１ｂ図は、可とう性部材の振動運動の異なるモーメントを示す、本発明の好 ましい一実施形態によって構築されたデバイスを含むウェハの上部の断面図であ る。 第１ｃ図は、可とう性部材の振動運動の異なるモーメントを示す、本発明の好 ましい一実施形態によって構築されたデバイスを含むウェハの上部の断面図であ る。 第２ａ図は、部材の変位の時間に対する立上りと立下りを示す線グラフである 。 第２ｂ図は、速度（および摩擦力の負）を示す線グラフである。 第２ｃ図は、逆の型の領域に到達する透過される光強度と復元力を示す線グラ フである。 第２ｄ図は、ビームに対する静電駆動力の量を示す線グラフである。 第３ａ図は、好ましい一実施形態の断面側面図である。 第３ｂ図は、第３ａ図のヒューリスティック・ダイアグラム表現である。 第３ｃ図は、エネルギー変換サイクルのヒューリスティック・ダイアグラムで ある。 第４ａ図は、本発明の好ましい一実施形態と光熱駆動の概念を示す断面側面図 である。 第４ｂ図は、本発明の好ましい一実施形態と光熱駆動の概念を示す断面側面図 である。 第４ｃ図は、本発明の好ましい一実施形態と光熱駆動の概念を示す断面側面図 である。 第４ｄ図は、逆の型の２つの領域を有する変形例を示す図である。 第５ａ図は、好ましい代替実施形態の断面側面図である。 第５ｂ図は、好ましい代替実施形態の断面側面図である。 第５ｃ図は、好ましい代替実施形態の断面側面図である。 第６ａ図は、切取側面図で示した、加速度計に関連する本発明の応用例のヒュ ーリスティック・ダイアグラムである。 第６ｂ図は、切取側面図で示した、圧力センサに関連する本発明の応用例のヒ ューリスティック・ダイアグラムである。 第６ｃ図は、切取側面図で示した、圧力センサに関連する本発明の応用例のヒ ューリスティック・ダイアグラムである。 第６ｄ図は、切取側面図で示した、加速度計に関連する本発明の応用例のヒュ ーリスティック・ダイアグラムである。 第６ｅ図は、切取側面図で示した、加速度計に関連する本発明の応用例のヒュ ーリスティック・ダイアグラムである。 第６ｆ図は、切取側面図て示した、圧力センサに関連する本発明の応用例のヒ ューリスティック・ダイアグラムである。 第６ｇ図は、切取側面図で示した、圧力センサに関連する本発明の応用例のヒ ューリスティック・ダイアグラムである。 第７図は、好ましい代替実施形態の切取側面図である。 第８図は、好ましい他の代替実施形態の切取側面図である。 第９ａ図は、本発明の一実施形態を作製する一連の好ましいウェハ処理ステッ プの側面図である。 第９ｂ図は、本発明の一実施形態を作製する一連の好ましいウェハ処理ステッ プの側面図である。 第９ｃ図は、本発明の一実施形態を作製する一連の好ましいウェハ処理ステッ プの側面図である。 第９ｄ図は、本発明の一実施形態を作製する一連の好ましいウェハ処理ステッ プの側面図である。 第９ｅ図は、本発明の一実施形態を作製する一連の好ましいウェハ処理ステッ プの側面図である。 第９ｆ図は、本発明の一実施形態を作製する一連の好ましいウェハ処理ステッ プの側面図である。 第９ｇ図は、本発明の一実施形態を作製する一連の好ましいウェハ処理ステッ プの側面図である。 第１０図は、好ましい実施形態のブロック図である。 第１１ａ図は、好ましい他の実施形態の平面図である。 第１１ｂ図は、好ましい他の実施形態の切取側面図である。 第１２図は、好ましい実施形態の３つの変形態様に関するギャップ間隔対反射 率の線グラフである。 第１３図は、好ましい他の実施形態の切取側面図である。 第１４図は、頂部キャップまたはカバー・カプセルを有さない好ましい一実施 形態によるデバイスの側面図である。 第１５図は、選択されたマイクロビーム形状の平面図である。 発明の詳細な説明 一般概念 まず第１ａ、ｂ、ｃ図を参照すると、自己共振特性を示すことができるデバイ ス１０の基本態様が記載されている。この構造は、ベース中の光起電力デバイス に当たる駆動光を変調する光干渉フィルタとして機能する。デバイスは、逆の型 の領域３０が位置する領域から可とう性部材４０を分離するキャビティ３１のベ ースのｐ−型領域３０を除くデバイスのすべてを形成する通常の電気特性型（ｎ −型）を有する表面（本明細書では都合上、上部表面と呼ぶ）２０上に形成され る（ユーザのある種の応用例では、材料型の順序を逆にして構築したデバイスが 好ましいが、発見的な目的のために、この構成に固執する。このおよびその他の 理由で、本明細書に記載した動作の理論が、いかなる点でも限定的なものとみな すべきものではないことにも留意されたい。本発明に与えられる保護の範囲を制 限するのは請求の範囲だけである）。 ｐ−ｎ接合部は、光起電力デバイスとして機能し、入射駆動光に応答してｎ− 領域とｐ−領域の間で電圧を生成する（非自己共振動作モードでは（ただし、こ れを自己共振デバイスに使用することもできる）、駆動光が変調され、異なる波 長または方向を有する別の非変調ビームを読取りに使用することが好ましい。た だし、駆動光の反射と、ビーム上の圧抵抗ストリップ、あるいはビーム位置の容 量性検知または磁気検知を使用することもできる）。キャビティ４１の他の部分 は、外側キャップ層または頂部キャップ層５０から部材を分離する。光入力エネ ルギー（または駆動「光」）は、この場合、ウェハ２０、可とう性部材（または ビーム）４０、およびキャップ５０の表面に対して垂直でなくてもよい配向でデ バイスに当たる矢印（ａ）によって参照される。 第１ａ図で、デバイス１０は静止しており、ビーム４０は、低エネルギー位置 または静止平衡位置にある。逆の型の領域３０に当たる光が到着すると、そこに 電荷が蓄積され、ビームまたは可とう性部材に対する静電引力が発生し、可とう 性部材４０が領域３０の方へたわむ。本発明による部材４０の領域３０の方への 延びを第１ｂ図に示す（ビームの下向きの最大延びがキャビティの下部表面に達 しないことが好ましいことに留意されたい）。現在最も好ましい態様を示すため に、第１図を参照されたい。第１ａ図の状態のデバイスが、ｈ₁が３λ／８のあ る倍数であり、ｈ₂が５λ／８であり、ｈ₃がλ／４ｎである（ｎは、デバイスが 形成されている半導体の屈折率である）１組の測定値を有することに留意された い（光の波長の１／２の倍数の厚さをｈ₁、ｈ₂、またはｈ₃に加えても、干渉は 影響を受けず、したがってデバイスの機能に影響を与えずにそのような任意の倍 数を完成製品で使用することができる）。 第１ｃ図中のデバイスは「４分の１波スタック」を形成し、第１のキャビティ （３１）（高さｈ₁）がλ／４（またはその奇数倍数）であり、ビーム自体（ｈ₃ ）がλ／４の奇数倍数であり、上部キャビティ４１（ｈ₂）の幅がλ／４の他の 奇数倍数であり、キャップ５０の幅も同様に、λ／４の奇数倍数である。そのよ うなスタックは、波長λの光を効果的に反射することが知られている。キャップ は、それからの反射をゼロに近くすることができ、無視することができるように 、反射防止コーティングで被覆することもできる。したがって、ｐ−ｎ接合で誘 導される光電流は、この位置では最小限に抑えられる。反射成分（１、２、３、 ４）を第１ａ、１ｂ、１ｃ図の右側に示す。第１ｂ図で、内部に反射するビーム はすべて同じ位相を有し、したがってビームのフェーザが増大し、反射率が最大 になる。 ビーム４０が領域３０の方へ最大延びに近づくにつれて、潜在的なエネルギー が増大する。ビームは、復元力が静電引力を圧倒する点に達し、第１ｃ図に示し た位置の方へはねる。第１ｃ図で、表面どうしがλ／２だけ離れているので、反 射ビーム（矢印１と矢印２）は相殺する。キャビティｈ₁の厚さが波長の２分の １（またはそのある奇数倍数）であるので、反射ビーム（矢印３と矢印４）も相 殺する。したがって、ビーム２は、ビーム１よりも全波長の分だけ遠くに移動す る。この２つのビームが相殺するのは、ビーム１が、より密度の低い媒体から反 射しても、反射時に位相が変化しないからである。ビーム２は、より密度の高い 媒体からの反射時に位相を１８０°変化させる。ビーム３および４に同じ位相変 化の議論を適用すると、ビーム３とビーム４が相殺することの説明がつく。要す るに、反射光が最小限に抑えられ、したがって、第１ｂ図中の透過される光が最 大にな り、最大のホトダイオード電流を生成する。 ビリッジ・ビーム、プレート、極めて幅の狭いビーム、カンチレバー・ビーム 、および類似の可とう性材料の振動サイクルについて説明する。Ｑ値および屈折 率が妥当なものであれば、ビームを駆動する光をパルスすることも変調すること もなしに、循環共振が発生する。この自己共振なしでも、結果として生じる静電 引力を介して部材を駆動するように入射光のパルスまたは変調のタイミングを設 定できることを認識されたい。そのようなすべてのデバイスで、駆動光のパルス 率によって、関係する循環振動運動が発生する。このことは、ビームの運動を説 明し、したがって、ビーム上で訓練された読取り光の反射の予想される光出力を 説明するものである。部材は、直接電気手段、磁気手段、またはその他の手段で 駆動することができるが、光駆動が好ましい。第１図に示した駆動は、ユニーク な特性を有し、その特性のために、光抵抗構造が存在しないときでも支持体の機 械的運動を検出するうえで有用な狭帯域選択的光変調器として有用である。第１ ２図に示したように、所与の波長および入射角の場合のキャビティおよびマイク ロビームの厚さを適切に選択することによって、この構造はマイクロビームの運 動にうまく感応する。したがって、支持体の小さな運動によって、マイクロビー ムの運動が開始し、そのため、反射光が変調される。２つの有用な例として、音 波発生モニタと圧電フィルタがある。 共振マイクロ構造体と関連する光構成要素は、より大きな構造に取り付けられ 、あるいはより大きな構造の一部であるとき、より大きな構造中の音波発生用の モニタとして機能する。たとえば、亀裂のために発生する鋭い音響インパルスに よって固有「リングダウン」動作がもたらされ、そのため、光が、最初の音響イ ンパルスよりもずっと長い間続く共振周波数で変調され、その結果、反射光の強 度を監視することによる事象の検出が容易になる。 光励起の代わりに圧電励起を使用してマイクロビームを駆動し、それによって 、反射光を変調することができる。この構成が、圧電トランスデューサを使用し てウェハ全体を励起することによって、共振構造をウェハ・レベルで試験するた めの非常に有効な手段であることが分かっている。低出力レーザからの光が試験 中のデバイス上に合焦され、光検出器に結合された直径１ｍｍのマルチモード光 フ ァイバによって反射光が捕捉される。駆動電圧がマイクロビームの１つの共振周 波数に等しい場合、マイクロビームを共振させるには試験中の圧電ポリマー膜ト ランスデューサに数ミリボルトを印加すれば十分である。したがって、圧電駆動 構造は、共振周波数に非常に近い信号を、変調された光として検出できるように する狭帯域フィルタとして働く。これに対して、他の周波数の信号の大きさは係 数Ｑだけ減少される。それぞれ、異なる共振周波数を有する、同じチップ上のそ のようなマイクロ共振器のアレイはすべて、同じ圧電トランスデューサによって 励起され、それらを使用して周波数多重化信号を分離することができる。信号を 異なるセンサに経路指定する、同じチップ上に製造された光導波管によって個別 のマイクロセンサに対処することができる。 第１ａ、ｂ、Ｃ図中の微細形状が、例示のために誇張されており、本発明の範 囲を制限するうえで検討すべきものではないことを認識されたい。 第２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ図で、部材の時間に対する基板の方への変位（２ａ ）、ビームに対する速度および摩擦力（２ｂ）、逆の型の領域に到達する部分的 な光強度（２ｃ）、およびビームに対する静電駆動力の量（２ｄ）がそれぞれ、 線６１、６２、６３、６４として示されている。これらは全体的に、自己共振ホ トダイオードに関する位相関係を説明するものである。これらの図を使用して、 ピークのタイミングとたわみ部材の下方の領域に到達する部分的な光強度の関係 、ダイオード（第２ｃ図）とピーク・ビーム位置またはピーク部材位置の関係、 ビーム位置または部材位置（第２ａ図）と、ビームに影響を与えるために使用で きる静電駆動力Ｖｄ（第２ｄ図）の関係に関して類似の関係を示す光・電気・機 械カプラの関係を説明することもできる。ある種の構造では、これらの関係があ る程度ゆがむが、好ましい実施形態の関係は、これらのグラフに表したものに類 似している。ｘ（第２ａ図）の最大値が第１ｂ図に対応し、最大の負の値が第１ ｃ図に対応することに留意されたい。 一般に、変位は、それが復元力および加速の逆のものであることを示す よって表される。 速度は変位から導かれる。 ホトダイオードに到達する光強度は、系の可変反射率の関数である。ダイオー ド電流は、ｉ_p＝βｘとして定義される。この式でβは実数であり（すなわち、 位相遅れなし）、正の帰還に関して第２ｃ図に示したように負になるように（β ＜０）選択される。 駆動電圧、すなわちＶ_dは、付加インピーダンスＺ_Lによって決定される。重要 な項は、電圧（Ｖ_d）の虚部、すなわち、ダイオード・キャパシタンスのために 第２ｄ図に示したように電流を遅延させる電圧成分である。したがって、ビーム に対する静電力は、Ｖ_dに比例し、速度と位相および方向が同じである。この位 相関係によって、電気エネルギーがビームに供給され、振動運動が維持される。 総駆動力は、駆動キャパシタ上の電荷ｑ₁（ｑ₁＝Ｃ_dＶ_d）の２乗に比例し、し たがって下記の数式が成立する。 好ましい実施形態の振動の振幅が最大で入射光の波長λの１／８であることに 留意されたい。各内側表面での反射は３３％であり、屈折率ｎ＝３．７（シリコ ンの場合）である。高い反射率と高い屈折率を有する他の高Ｑ材料を使用するこ ともできる。 部材の運動の説明を完全にするために、ここで第１２図を参照すると有用であ る。透過は、可とう性部材の底部とその下にあるキャビティの頂部の間のギャッ プ間隔の関数として示されている（表面は、部材の型とは逆の型の領域である） 。曲線上の最も高い点は、最大光透過を表し、これらの曲線上の最小点は、ビー ムを通過する光の最小透過を表す。これらの線ａ、ｂ、ｃは、頂部キャップもシ ェルも有さないポリシリコン共振ビーム部材（ａ）、反射防止コーティングを含 むシェルを有するポリシリコン共振ビーム部材（ｂ）、および反射防止コーティ ングを含まないシェルを有するポリシリコン共振ビーム部材（ｃ）に関するギャ ップ間隔を表す。理解を容易にするために上記で説明した指数が小さなケースは 、余弦曲線（図示せず）を与える。好ましい実施形態は、正の帰還１０５の領域 で動作する。負の帰還の領域は領域１０４である。したがって、最も好ましい領 域１０２は、各曲線で勾配が最も垂直に近く、あるいは険しい領域である。光の あ る平衡点１００（ｘ＝０）および光のない平衡点１０１も示されている。光は、 可とう性部材を基板に接近させるｄｃ電圧を光起電力デバイス上で確立した。こ の図で、曲線ｄ上に示したように、ｘの正の方向は左側である。 本明細書で説明する概念は、従来技術に記載された概念とは異なるものなので 、ここでは発見的モデルによる他の例も含める。したがって、第３ａ図および第 ３ｂ図を参照されたい。第３ａ図では、デバイス１１が再び断面図で示され、ビ ームの変位ｘが、ビーム４０の静止位置の上方と下方の両方に点線で示されてい る。ここでは、ｐ−ｎ接合２１も指摘されている。 第３ｂ図は、本発明のデバイス１１の発見的モデルを示す。物理的には、デバ イス１１は、キャパシタ（キャパシタ・プレート、すなわちＭおよびＲ）の振動 中に移動体Ｍ（ビームまたは可とう性部材はＫであり、Ｍでもある）をぶら下げ るばね定数Ｋを有するばねＳを有する。容量関係は、１つの部材と、可とう性部 材の下方の材料または可とう性部材の上方のキャップ、あるいは、この場合は素 子Ｒとして示されたその両方との間の関係である。光線「ａ」（波長λおよび強 さＰ_i）はホトダイオード３０に当たる。関連する運動の式は、機械的振動につ いて説明する物理論文で一般に使用される下記の数式で表される。 上式で、ω_oは、角周波数（ラジアン／秒）であり、Ｑは共振の特性値であり 、Ｆは振動を維持するのに必要な外部の力であり、Ｍは振動部材の有効質量であ る。 静電駆動力の式は下記の数式であると考えられる。 Ｆ ＝ Ｆ₀＋Ｆ_ωe ^iωt 光誘導電流は、光強度に比例し、下記の数式によって与えることができる。 Ｉ_s（Ｅ^qｅ^V/kT−１）、 上式で、Ｉ_sはダイオード飽和電流であり、ｑ_eは電荷であり、ｋはボルツマン の定数であり、Ｔは絶対温度である。 ｄｃバイアス電圧の式は、下記のＶに関する数式を解くことによって得られる はずである。 ａｃ駆動電圧は、共振周波数での光起電力構造のａｃインピーダンスに、光生成 電流のａｃ成分を乗じた値によって与えられる。このａｃインピーダンスは、電 気抵抗のための実部と、キャパシタンスのための虚部とを有する。容量性成分と は、第２ｄ図に示したように、マイクロビームを駆動するうえで有効な成分であ る。あるいは、数学的には、Ｖ_d−ｋＴ／ｑ_e ^*ｓｑ．ｒｏｏｔ（１＋ｊｗｔ）で ある。この数式で、ｔは小数キャリアの寿命であり、自己共振に関する最低しき い値となるように最適化することができる。 第３ｃ図は、別々の構成要素間でこのデバイスによって行われるエネルギーの 交換を簡単に示すものである。ホトダイオード、共振器、および干渉フィルタは 、周知のものであり、Ｊｏｎｅｓ、Ｎａｄｅｎ、およびＮｅａｔ（上記で引用） の論文に記載されたデバイスに類似の自己共振デバイスを形成するように組み立 てることができる。本発明では、これらの素子が単一の構造として合体され、分 離することはできない。静電駆動される可とう性部材の静電駆動要件の分析は、 Ｓｋｏｒ著”Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｅｑ ｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔｓ”Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｐｒｅｓｓ，１９９ １年に記載された。本明細書の概要の節で引用した論文に記載されたプロセスに よって構築されたデバイスは、１０００００程度のＱ値を示し、駆動エネルギー 要件は１０^-14Ｗであった（Ｑは、振動部材に関する共振の鋭さおよび１サイク ル当たりの最大蓄積エネルギーとエネルギー損失の比を記述するために使用され る経験パラメータである）。 （第１２図を参照して）シリコン（ｎ＝３．７）の屈折率が高いので、各界面 での反射率が高くなり、複数の反射によって透過曲線がファブリ・ペロー干渉フ ィルタの透過曲線に類似するものとなることに留意されたい。したがって、振動 の振幅はたとえば、λ／８よりもずっと小さく、たとえばλ／２０でよく、依然 として高い変調効率が得られるはずである。 屈折率が異なり、かつＱが異なる場合、結果は説明した結果よりもよく、ある いは悪くなるが、類似の機能も得られるはずである。 次に第４ａ、４ｂ、４ｃ図を参照すると、デバイス１２が、駆動・検知機構用 の光ファイバ１３に対する位置関係で示されている。これらの図は、基本モード よりもどれだけ高い次数のモードを励起できるかを示す。これらの図には、光・ 熱駆動ビームがどのように他のビーム中でも類似の効果をもたらすことができる かも示されている。この２つの駆動機構を共に使用して有用なデバイスを構築す ることができるが、本明細書では、説明を簡潔にするためにこの２つの独立の異 なる概念を１組の図上で組み合わせる。この構成の光・熱駆動センサを駆動する には、ホトダイオード駆動センサに必要なよりもかなり多くのエネルギーが必要 であることに留意されたい。光・熱センサでは、駆動機構は主として、光ファイ バ１３から放射エネルギーを吸収するビーム４０上に位置する吸収体材料１４か ら成る。吸収体は、ビームとはかなり異なる膨張係数を有し、ビームから熱的に 絶縁することが好ましい。この図では、吸収体材料１４はビーム４０の一端に位 置する。変調された放射が吸収されるので、ビームは、光エネルギーがｆ₁で変 調されるか、それともｆ₀で変調されるかに応じてそれぞれ、第４ｂおよび４ｃ 図に示したように基本モードｆ₀または第１のオーバートーンｆ₁に光熱的に駆動 される。 （前述の光熱駆動デバイスに対して）ここでの光・電気・機械デバイスでは、 吸収体材料がビーム４０上になく、かつ光がビームを通過して領域３０に至る。 基板２０中のビーム４０の下方に逆の型の材料のこの領域３０を配置することに よって、ホトダイオードは、領域３０位置でビーム４０を引き付け、したがって 、第４ｂおよび４ｃ図に示したように基本振動モードまたは第１のオーバートー ン振動モードを励起する。このケースでは、パルス／変調駆動ビームを使用して 、光・熱駆動機構、または本発明のホトダイオードを使用する駆動機構で望まし い振動を発生させると仮定する。パルスが周波数ｆ₀またはｆ₁で周期的である場 合、対応する単一のモードしか励起されない。（楽器の弦をかきならしたときの ように）急激なステップ関数パルスを印加する場合、複数のモードを同時に励起 することができる。 （説明を明確にするために、領域１４と領域３０が、好ましい本発明のデバイ ス中では共存しないが、ほぼ重複する数組の図面が必要とされないように図面に は示されていることを認識されたい）。同様に、モードの励起は、共振マイクロ ビームの質量の中心を二等分するセンターラインからホトダイオードを離して置 くことによって行われる。 共振ビームの多数のモデル振動特性の良好な説明は、上記で引用したＺｏｏｋ 等の”Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｐｏｌｙ−Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｒ ｅｓｉｄｅｎｔ Ｍｉｃｒｏｂｅａｍｓ”と題する論文に記載されている。ビー ム上の様々な位置へ向けられた読取り光線（または複数の読取り光線）を使用す ることにより、本発明の光変調器特性を使用する反射読取りビームの変調によっ て様々なモードを読み取ることができる。 第４ｄ図は、ビーム励起の融通性を追加するために、この構造をどのように逆 の型の複数の領域を含むように修正できるかを経験的に説明するために提示され ている。異なる領域３０ａ、３０ｂに到着する入射光線のタイミングを変化させ ることによって、刺激の高い融通性を達成することができる。 本明細書に記載した本発明の多数の異なる態様を容易に構想することができ、 それらを本発明の範囲内で検討する。このうちのいくつかを以下に示す。次に、 第５ａ、５ｂ、５ｃ図を参照する。第５ａ図には、キャビティ３１と逆の型の領 域３０の上方およびキャビティ４１とキャップ５０の下方にカンチレバー・ビー ム部材４０ｃを有する基本カンチレバー駆動デバイスが見られる。このデバイス １３ａはもちろん、前記のデバイスに関して説明したのと同様に駆動される。入 力された連続光線またはパルス／変調光線は、キャップ５０およびビーム４０ｃ 中の材料を通過して逆の型の領域３０に到達し、ホトダイオード効果によって静 電力を生成してビーム４０ｃの振動を開始させる。このテーマをわずかに変更し た例は、第５ｂ図のデバイス１３ｂに記載した構成に類似の構成で実現すること ができる。このデバイス構造では、ビーム４０ｃに、光線Ａをホトダイオード３ ０に当たる角度で透過させることができる。入射角度が大きいほど、表面の反射 率が高くなる。ファブリ・ペロー干渉計の場合と同様に、反射率が高いことは、 光フィネス（optical finesse）が高いことを意味し、強め合う干渉と弱め合う 干渉に関する条件がより臨界的なものとなる。したがって、第１２図中の勾配は より険しくなり、有効利得が増加する。したがって、自己共振に関するしきい値 を減少することができるが、キャビティおよびマイクロビームの厚さに関する公 差 がより臨界的なものとなる。 第５ｃ図に関して説明した実施形態も例示的なものであるが、両端で拘束また は固定されたブリッジ型ビームを示す。発見的デバイスとして、どこでブリッジ 型ビーム４０からカンチレバー・ビームを作製することができるかを示す点線で 領域５２が示されている。構成が終了した後、ビームの構造を修正することは困 難になるので、これはもちろん、例示のためのみのものである。やはりここに示 されているように、頂部キャップ５０がなくても、すべての実施形態、特に、自 己共振が必要とされない実施形態は、適切に機能することができる。頂部キャッ プが欠落している場合、真空排気チャンバを使用することができず、したがって 、ビームの運動が、ビームの上方およびビームの下方のキャビティ３１中の流体 の存在の影響を受けることに留意されたい。流体の環境の変化によるビームの共 振に対する流体の存在の影響を測定することが望ましい場合、この構成はそのよ うな検知応用例に特にうまく適応させることができる。マイクロビーム表面上の 選択的な吸着／脱着によるマイクロビームの追加質量装荷によって、共振周波数 がシフトされ、したがって、化学検知応用例でこれを使用することができる。大 気圧の変化によってデバイスＱの変動を監視することにより、キャップなし共振 素子によって低い圧力を測定することも可能である。たとえば、この構成のセン サは、前に密封された容器の密封性の喪失を検出する。第５ｃ図には、ユーザの ニーズに適合するように逆の型の材料３０のホトダイオード領域の寸法を大きく し、あるいは小さくすることも示されている。可とう性ビームよりも先へ延びる ダイオードの部分は、ビームを駆動する変調電流を提供しないが、照明されると 、追加ｄｃバイアス電圧を提供することができる。この駆動力は、ａｃ電圧とｄ ｃ電圧の積に比例すると考えられる。したがって、好ましいいくつかの実施形態 では、ホトダイオードの寸法および面積を増加できることを示すために点線の領 域３０ａおよび３０ｂが追加されている。 本発明によって構築されたデバイスに関する容易に得られる応用例を第６ａ図 に関して説明する。この図で、加速度計チップ１４は、頂部ストップ・減衰プレ ート１５と、底部ストップ・減衰プレート１６と、開放空間１９ａおよび１９ｂ の上方および下方のバイプレーン・フレクシャ１８によって懸垂されたプルーフ ・マス１７とを有するものとして示されている。このような教示によって構築さ れた光学的に共振するマイクロビームを一方のバイプレーン・フレクシャ１８上 に置くことにより、バイプレーン・フレクシャ１８中のプルーフ・マスの移動に よって誘導される応力は、共振マイクロビーム構造９中の可とう性部材の振動率 に影響を及ぼす（ユーザにとって最も重要な運動方向によって最大のひずみが与 えられるように配向させた二重拘束ビーム態様が好ましい）。温度を補償し、第 一次効果を数値的に減算して取り消すことができるように、追加マイクロビーム （図示せず）を適切に位置決めすることができる。駆動・検知光は、光ファイバ ・ケーブルまたはチャネル７を介して発光ダイオード（またはレーザ、あるいは その他の光源）２２から供給され、光検出器または干渉読取り構造２３によって 受け取られる。自己共振を使用しないとき、別々の供給／源／波長を使用して、 読取りビーム反射と駆動ビーム反射を区別することができる。適当な増幅器を用 いれば、閉ループ系が振動するように、妥当な位相および適当な振幅で、ホトダ イオード２３の出力を光源２２の駆動機構に帰還させることができる。同様な閉 ループ動作は、Ｚｏｏｋ等によって前述の文献に記載されている。第６ｂおよび ６ｃ図は、この場合は一体に形成された基板６８によってチューブ６６に取り付 けられた圧力ダイアフラム６８ａへの他の応用例を示す。共振デバイス６５は、 ダイアフラムの応力に対する最大電位の領域に位置する。どちらの図でも、光フ ァイバ６７はデバイス６５との間で光を透過させるが、第６ｃ図では、ファイバ は、導波管６９によってデバイス６５に連結された「Ｖ」字形溝６７ａ内に取り 付けられている。精密応用例では、追加マイクロビーム（図示せず）によって、 一次非線形性を取り消し温度を補償することができる。 第６ｄおよび６ｅ図は、本発明を使用することができる第６ａ図に類似の加速 度計の他の態様を示す。第６ｆおよび６ｇ図は、基板の幅の狭いカンチレバー拡 張部上のひずみ感応たわみ部材を備える代替センサ態様を示す。拡張部は、一端 のみに取り付けられ、ほぼ自由に屈曲することができる。賢明に材料を選択する ことによって様々な刺激に反応するようになされたバイモル・ストリップまたは バイマテリアル・ストリップを形成するために異種材料を頂部または裏側（図示 ）に付着させてある。カンチレバー拡張部は、パッケージが誘導する応力から効 果 的に絶縁されており、感度を増大させ応答を高速にするために幅を狭くしてある 。たとえば、ガラスをスパッタリングすると、熱膨張係数の不一致のために温度 に反応するバイモル・センサが与えられる。温度が変化すると、カンチレバー拡 張部よりもガラスの方が大きく膨張し、バイモルが湾曲し、その結果、たわみ部 材の周波数が変化する。付着させる材料の他の例には、水の取込みと共に膨張し て湿度を検知する湿度感応ポリマーが含まれる。種選択膜によって、選択的化学 センサが生成される。磁気ひずみ膜を使用すると、近接検知応用例用の磁界セン サが生成される。圧電材料によって電界センサが生成される。温度補償効果は、 第２の温度感応マイクロビームによってもたらすことができる。温度の変化を補 償する係数として選択された熱膨張係数を有する材料で第２の層を付着させるこ ともできる。 このデバイスは、その最も簡単で最も効率的な態様では、パルス反復率がビー ムのたわみ率に対応するディジタル適合パルス出力を生成する。 第７図は、自己共振しない本発明の代替実施形態を示す。この実施形態では、 変調された駆動ビームまたは励起ビームＤは、可とう性ビーム部材４０ａと同じ 空間で延び、かつこの場合は、頂部キャップ５０ａとも同じ空間で延びるように 形成されたｐ−型領域３０ａに当たる。３０ａと２１の間のホトダイオード接合 部での電荷の増大によって、ビーム４０ａは、ウェハ２１に引き付けられ、前述 の他の実施形態に関して説明したのと同じ種類の共振運動を発生させる。部材４ ０ａの可動表面へ向けられた読取りビームＲは、前述の他の実施形態に関する他 の可とう性部材の運動の場合と同様に読取りビームの反射で部材の運動を示す。 第１０図は、このデバイスの非自己共振態様に関してこの特許で説明するセン サの出力を励起して読み取るシステムのブロック図を示す。センサ８０は共に、 この場合は２つの特定の周波数のレーザ光を送り受け取る光ファイバ８４上にあ る。ビーム励起レーザは８５０ナノメートル変調レーザ８１である。このレーザ は、光ファイバ・ケーブル８８に適当なパルス率を生成するようにスイープ・ゼ ネレータ８２によって変調される。別の読取りビーム・レーザ８６は、９５０ナ ノメートルの波長を連続的に生成する。３ｄｂカプラ８５は、反射光を分離して 検出器へ送るビーム・スプリッタとして経路中に使用されている。 レーザ８６からの９５０ナノメートル光は、光路８４に沿ってセンサ８０へも 移動する。本発明のデバイス中の反射可とう性部材の振動率を変化させることに よってこの読取りビームが反射されると、時間変動ディジタル信号が光路８４に 沿って返される。分割マルチプレクサ８３を介して光路８７に至るのは８５０ナ ノメートルの波長だけであり、光路８７は、光カプラ８５を介し検出器経路９３ を通じて反射光を返す。８５０ナノメートル・フィルタ８９は、返された８５０ ナノ以外のよけいな読取り光線を拒絶するために設けられる。光検出器９０（Ｉ ｎＧａＡｓでよいが、他の種類、たとえばシリコンでよい）は、それが受け取る ディジタル光信号に対応するディジタル電気出力を生成する。フェーズ・ロック ・ループなどロックイン検出器９１を使用して、信号を増幅し出力９２を生成す ることができる。小さな周波数シフトでは最大信号が観測される。どの周波数が どのセンサに対応するかを識別し、周波数シフトを適切なセンサ（たとえば、圧 力センサや温度センサなど）に関連付けることは容易である。大きな周波数シフ トでは、オーバートーン周波数を測定して各センサからの共振を分類する必要が ある。 第８図で、可とう性部材４０ｃは、ウェハ２１と同じ型の電気型材料で形成さ れている（図のビームは、点線４０ｄで示したセクションを削除することによっ てカンチレバー構造として容易に構築することができる）。逆の型の材料の領域 ３０ｂは、可とう性部材４０ｃを含む封止領域の縁部を越えて延びる。ベース接 点として働く電気接続部２２が設けられ、ｐ−ｎ接合部に逆バイアスを与えるよ うに他の電気接続部２３がウェハ２１に接続される。逆バイアスｐ−ｎ接合部を 設けることにより、非常に小さな光起電力によって、可動部材４０ｃを逆の型の 領域、またはｎ−型領域の方へ引くのに十分な電荷を生成することができる。バ イアス電圧を調整することによって、自己共振またはビームの運動を発生させる のに必要な励起ビーム中の光の量を調整することができる。第８図に関して説明 した本発明を使用して多数の問題を解決することができるが、欠点は、電気接続 部を確立しなければならないことである。ある種の応用例では、明確に定義され た周波数のａｃ出力を有する光検出器としてこのデバイスを使用すると有用であ る。この場合、デバイスは他の雑音源の影響を受けない。自己共振は、光に対す る組込みチョッパとして働く。 本発明の他の態様は、環境から発生する電圧用の環境電圧センサとしての態様 である。このセンサの接点間の電圧は、マイクロビームを駆動する光電圧に加え られ、あるいは前記光電圧から減じられる。電極が腐食性溶液など電解液に接触 すると、導電経路が確立され、デバイスの動作に影響を及ぼす電気化学電位が生 成される。振動に関するしきい値および第２の調波生成に関するしきい値は、振 動の周波数と共に影響を受ける。したがって、このデバイスは、普通なら測定を 妨げるＥＭＩ環境およびＲＦＩ環境で腐食状態および腐食電位を鋭敏に測定する ことができる。電極２２および２３に２つの異種電極金属を使用することによっ て、センサが水性環境にあるとき、ＥＭＦ（すなわち、バッテリ）が生成される 。ＥＭＦに関連する電圧は、センサの内部光起電力構造に対して明確な極性を有 し、したがって、振動に関する光強度しきい値を増加または減少させることがで きる。適当な電極設計を用いれば、イオン選択的電極設計および製造に関する知 られている技術に鑑み本明細書で教示した技法および構造を使用して、ｐＨセン サまたはその他のイオン選択的センサを作製することもできる。 好ましい他の態様を第１１ａおよび１１ｂ図に示す。これらの図で、大きな領 域３０は、構造１１０全体を基板１１１から電気的に絶縁するものである。キャ ップ５０は、どちらの型の材料でも形成できるが、この場合は可とう性部材４０ と同じ電気型の材料として示されている。キャップは、非ドープ多結晶シリコン で形成された場合、電気的に中立であり、ｎ型でもｐ型でもない。ただし、ｎ型 またはｐ型でも受け入れられる。すべての実施形態の場合と同様に、駆動光源と ホトダイオードの間に可とう性部材を置くことによってこのようなデバイスの有 用な効果がもたらされる。 第１３図の実施形態は、第８図の実施形態の変形例であるが、駆動接点４３と 、ダイオード接点４２と、ベース接点４４とを有する。金属部（この場合は電気 接点の接続部）を有するこのようなデバイスに関しては、高温検知応用例に適合 させることができないことに留意されたい。金属接点は、温度が高く応力が大き いと故障することが予想される。これに対して本発明の金属部を有さないそのよ うな態様は、影響を受けず、ずっと極端な条件および検知要件で機能することが で きる。 第１３図は、本発明の光変調特性を使用できる実施形態を示す。この実施形態 では、ベース４１とは逆の型の材料の２つの別々の領域３０および３１がベース 電極４４に接続される。ビーム４０およびカバー５０もベース４１に直接接触し ている（図示せず）。この構造では、駆動電圧を電極４３を介して印加すること ができ、可動ビームによってもたらされる変調を電極４２で検知することができ る。この実施形態の構造では、大きな駆動電圧が許容され、機械的Ｑが低い応用 例で最も有用である大きな検知信号が与えられる。 本発明の特性は、変調利得を示すことができることである。これは、ビームの 共振周波数での変調光によって照明されたとき、反射光が、入射光とは異なる変 調指数を有することができることを意味する。光の反射は、変調指数を保存する 非常に線形のプロセスなので、これは明らかに、このデバイスが「活動」デバイ スであることを示す。反射光は、光検出器によって検出し、増幅し、ビーム上に 入射した光の変調器へ帰還させることができる。利得が１よりも大きく、帰還信 号の位相が正しい場合、そのような系は、ビームの共振周波数で振動する。実際 には、系は、上述のように、共振マイクロ構造体が顕著な変調利得を有さない限 り、限界的にしか動作しない。 本発明は変換利得も示す。励起光の強度が増加するにつれて、ビームの振動の 振幅が増加する。振幅が十分なものであるとき、振動のピークで反射率の最大値 または最小値（あるいはその両方）に到達し、オシロスコープ上に示された反射 光が、折れ始め、強力な第２の調波と、場合によっては第３の調波が生成された ことを示す。この動作は、広帯域オシロスコープ上では、波形の各サイクルが鏡 対称性を示すので明白である。この極めて非線形の動作は、光起電力発振器（Ｌ ＥＯ）デバイスが、一般に、スーパーヘテロダイン受信機の第１段で使用される ミキサ発振器として使用できることを示す。この特性は、振動または音波発生事 象（亀裂の形成または亀裂の成長のための音波発生事象など）を高感度で検出す るうえで非常に有用である。音波発生事象は、ビーム支持体を移動することによ ってマイクロビームを励起し共振運動させる横波を構造中で発生させる。この効 果を使用して、光学手段によって音波発生を検出することができる。ビームがす でに、たとえばＬＥＯ動作のために、第２の調波生成に関するしきい値近くで振 動している場合、第２の調波周波数に調整された受信機は、発振器／ミキサ動作 に関連する変換利得のためにこの事象をより高い感度で検出する。音波発生事象 のインパルス性のためにリングダウン・シグニチャがもたらされ、このこともこ の事象の識別を助けることができる。 共振マイクロ構造体と光源の間の光結合の効率は、マイクロビームの寸法およ び形状を賢明に設計し選択することによって向上させることができる。具体的に は、振動の最大の振幅を受けるビームの部分の幅を支持体近くの領域よりもはる かに広くし、それによって、目標ホトダイオードの寸法を増加させ、したがって そのダイオードからの信号を増大させることができる。次いで、より幅の広い領 域の下方に光起電力構造を組み立てる。たとえば、光が、コア直径が６２．５ミ クロンのマルチモード光ファイバからクランプ−クランプ・マイクロビームに結 合される場合、高い機械的Ｑが得られるように、マイクロビームのその領域の幅 を少なくとも６２ミクロンにして、同時に、支持体領域の幅をそれよりも狭くす ると有利である。この幅の広い部分の幅はどれだけ広くしてもよい。というのは 、この形状では最小次ねじれモードの周波数が低くなり、そのため、望ましくな いモード混合が発生するからである。 同じ構造で複数のマイクロビームを使用する場合、マイクロービームと下部構 造のモードとの結合を低減することができる構成は、顕著な利益をもたらすこと ができる。このように結合を低減することによって、Ｑも高くなり、その結果、 共振周波数の精度が向上する。支持点が、横寸法上の節点にある場合、質量の中 心はマイクロビームの振動時に固定されたままである。 ホトダイオードが共振マイクロビームを駆動することができる他の方法は、静 電力ではなく磁力によるものである。そのような実施形態では、ホトダイオード は、光電流が直接マイクロビームを通過して流れるように接続される。マイクロ ビーム中の光電流は、表面の平面中の外部磁界のために表面に垂直であるが、マ イクロビームの長さに垂直な（言い換えると、光電流に垂直な）力をアンペアの 法則に従ってマイクロビーム中で生成する。マイクロ構造体の寸法を正しく選択 した場合、そのようなデバイスは、十分な光強度レベルおよび磁界強度レベルで 自己共振する。そのようなデバイスは、磁界が臨界値を超えたときにのみ振動す る近接センサとして使用することができる。この種の簡単なセンサは、ドアおよ び窓の侵入者警報システムで広く使用されており、たとえば、自動車や工場の組 立ラインなどの応用例で使用することができる。 そのような構造を製造する簡単な方法は、構造の単結晶ベース材料中の高品質 ホトダイオードｐ−ｎ接合部をポリシリコン・マイクロビーム中の低品質ｐ−ｎ 接合部に並列させることである。低品質ｐ−ｎ接合部はホトダイオードをほぼ短 絡させ、必要に応じてマイクロビーム中を電流が流れる。 第１５図は、ほぼ平坦なたわみ部材のいくつかの実施形態を示す。第１５ａ図 は、２つの縦長のスリットによって画定された矩形形状を有する部材の平面図を 示す。この部材は、加えられた軸方向ひずみを共振周波数のシフトとして結合す るように各端部で取り付けられる。この部材のすぐ下にあるｐ−ｎ接合部は、点 線で示されている。光結合のためにより広い公差を許容するより広い中央セクシ ョンを有する形状を第１５ｂ図に示す。第１５ｃ図は、中央から外れた位置に位 置する１つまたは複数の下部ホトダイオード領域を使用してねじりモードを励起 する形状を示す。追加形状には、高感度、高機械的Ｑ、および非励振素子に対す る低結合度を約束する、横に並べてあるいは上下に重ねて配置された複数のたわ み部材が含まれるが、これに限らない。マイクロビームの横縁部上の離れた節点 で基板に取り付けられないたわみ部材は、ある種の応用例でこれらの利点を提供 する。 請求の範囲によってのみ制限される本発明の範囲内の他の多数の実施形態につ いて説明する。プロセス このようなデバイスを構築するには、以下の第９図の議論に関して図示した特 定の１組のステップを使用することができる。 第９ａ図ないし第９ｇ図は、本発明の好ましい一実施形態などの構造を製作す るために使用される集積回路型処理ステップを示す。 第９ａ図は、ホトレジスト・窒化ケイ素マスク７２を使用するイオン注入後の 半導体基板７０の断面を示す。このインプラントは、ｎ型半導体ウェハまたはｅ ｐｉ（エピタキシャル成長）層の表面近くに、逆の導電型のシリコン、この場合 はｐ型シリコンの領域を作製するために使用される。 第９ｂ図に、１組の選択的酸化ステップの結果を示す。下部キャビティ７３を 形成する領域の上側の窒化物７２をパターン化しエッチングする。厚さが下部ギ ャップ厚さにほぼ等しい酸化層を熱成長させ、エッチ・バックし、再成長させ、 下部キャビティ酸化物７３とウェハ基板７０の表面の間にほぼ平坦な表面を形成 する。 第９ｃ図は、チャネル７４を形成した後の断面を示す。チャネルは、窒化物層 ７２をパターン化し、選択的エッチング液を使用してエッチングを施すことによ って形成される。 第９ｄ図は、ビーム構造７５用の多結晶シリコンおよびエンクロージャ７６の 壁を示す。好ましい実施形態のこのステップでは、ポリシリコンにイオン注入を 施してビームを軽くドープする。次いで、ビーム・ポリシリコンをパターン化し 、エッチングし、第９ｄ図に示した構造が形成される。 次に、第９ｅ図を参照すると分かるように、低温酸化膜（ＬＴＯ）を付着させ 、パターン化し、エッチングし、上部キャビティ領域７７を形成して、シェルを ビームおよび基板に付着させる領域でＬＴＯを除去する。 第９ｆ図に、キャビティ領域またはシェル７８の頂部を示す。第２のポリシリ コン層を付着させ、注入、パターン化、エッチングを施すことによって、シェル ７３を形成する。アニールを使用して注入物を活性化して叩き込み、ビーム・シ ェル・ポリシリコン層中に公称ひずみフィールドを確立する。 第９ｇ図に、フッ化水素酸溶液を使用して、チャネル領域、下部キャビティ領 域７３、および上部キャビティ領域７７中の犠牲材料７４を除去することが示さ れている。この場合、領域７３と領域７７は全体として、好ましい実施形態のマ イクロビームの周りにキャビティ・エンクロージャまたはカプセルを形成する。 低圧化学蒸着（ＣＶＤ）ポリシリコン（図示せず）の薄い密封層を付着させ、キ ャビティ領域中に真空を形成し密封する。最後の窒化ケイ素不活性化層（図示せ ず）を表面の全体にわたって付着させて、密封を高め反射防止コーティングとし て使用することができる。 このプロセスの流れは、静電駆動／圧抵抗検知手法に勝る光駆動／検知共振マ イクロビームの有利なプロセスの削減を示す。このプロセスの流れは、自己共振 態様でも非自己共振態様でも有用である。自己共振態様は、ギャップ寸法および マイクロビーム厚さ寸法を慎重に選択することを必要とするが、その他の点では 非自己共振手法と同じである。 本発明の共振マイクロビームの必要なマスキング・レベルの数は、下部駆動レ ベル、下部キャビティ、チャネル、ビーム、上部キャビティ、およびシェルの６ レベルに減少される。下部駆動レベルは、基板中のマイクロビームのすぐ下に光 起電力デバイスを形成するために使用される（光起電力デバイスは、入射放射で 刺激されたときに光起電力効果のために電界を生成する。与えられた光は、非自 己共振手法の場合と同様に変調しても、あるいは自己共振モードでは単一の波長 のまま変調しなくてもよい）。下部キャビティ・マスクは、マイクロビームの下 方にキャビティ領域を形成するのに必要である。必要に応じて電気的接続に用い られる、ホウ素や、ドーピングに有用なその他の元素などの材料の注入を、この マスキング・レベルを介して行うことができる。チャネル層は、犠牲材料を除去 するために上部キャビティおよび下部キャビティにアクセスできるようにするた めに使用される。チャネルは、密封のために薄くする必要がある。ビーム層は、 マイクロビームを表す（この好ましい態様では）縦長のスリットをビーム多結晶 シリコンに切削するために使用される。上部キャビティ層およびシェル層によっ て、マイクロビーム用の真空エンクロージャが完成される。上部キャビティの厚 さおよびシェルの厚さは、（自己共振モードでは駆動光と同じ波長および源、あ るいは非自己共振モードでは第２の波長の）検知放射の最大強度変調を行うのに 最適な厚さになるように設計することが好ましい。後で、一体型光導波管をシェ ルタ上に形成することができる。 この好ましい実施形態の光共振マイクロビームの処理は、シリコン・ウェハを 約５００Åにわたって酸化し、前記ウェハ上に約８００Åの窒化ケイ素を付着さ せることから開始する。ウェハは、ｎ型でもｐ型でもよく、ダイアフラムまたは フレクシャを形成するためにエピタキシャル成長層を含めることができる。下部 駆動マスキング・レベルを使用して、窒化物をパターン化しエッチングする。酸 化物を通してホトレジスト・マスクを注入し、第９ａ図に示したように、基板に ＰＮ接合部を形成する。次のマスキング層の下部キャビティは、二重酸化ステッ プ用の窒化物中の窓を形成する。窒化物を酸化バリアとして使用して、約４４０ ０Åの酸化層を成長させる。この酸化物をＨＦ溶液で剥離し、同様な厚さになる まで再成長させ、第９ｂ図に示したように、マイクロビーム用のほぼ平坦な表面 を形成する。希釈フッ化水素酸エッチング液を使用して酸化トリム・エッチング を行い、下部キャビティ深さをより微細な公差に設定する（８００ｎｍ入射放射 では３７６０Å）。窒化物をブランケット・ストリップで完全に除去し、その後 、第９ｃ図に示したように、エッチング・チャネルをパターン化しエッチングす る。この時点で必要に応じて、チャネル高さを低減させるトリム・エッチングを 実行する。次に、ビーム・ポリシリコンを付着させ注入する。ビーム・ポリシリ コンの厚さは、自己共振モードでは重大であり、励起波長が８００ｎｍの場合に ４８６０Åを目標とする。ビームの注入とシェルの注入で、同じドーパントが使 用され、かつ下部単結晶基板またはエピタキシャル成長層と同じドーパントが使 用されることが予想される。第９ｄ図に示したように、ビーム・ポリシリコンを パターン化しエッチングする。マイクロビーム上にＬＴＯ層を共形的に付着させ る。ＬＴＯを上部キャビティ層と共にパターン化し、第９ｅ図に示したように、 上部犠牲層を形成するようにエッチングする。厚いシェル・ポリシリコン（２． ０μｍ）を付着させて注入し、その後、９５０℃でのアニールを施して、ひずみ フィールドを設定し注入物を叩き込む。反射防止窒化物コーティングを使用して 上部シェル表面からの反射を打ち消す場合、シェルの厚さは重大ではない。次い で、第９ｆ図に示したように、シェル層を使用してポリシリコンをパターン化し エッチングする。ＨＦ溶液を使用して犠牲エッチングを施し、その後、引っ張り 出してキャビティをリンスし乾燥させる。１６００Åのポリシリコン層を付着さ せて、第９ｇに示したように、真空を密封し反応シールを形成する。反射防止コ ーティングとして追加機能を実行する１０４０Åの窒化ケイ素不活性化層をウェ ハ全体にわたって付着させる。 特定のセンサ応用例用のマイクロ構造体を完成するには、第９図には詳細に示 していない追加プロセス・シーケンスが必要である。たとえば、圧力センサでは 、 基板の局部を薄くすることによってダイアフラムを形成する必要がある。ダイア フラムは、エピ層の厚さと、エッチングの前の適当なマスキング層中の妥当な寸 法の窓によって画定される。低レベル音響信号の測定には大きな薄いダイアフラ ムが適している。第６ｅ図に示したカンチレバー・プルーフ・マスおよびフレク シャ・アセンブリでは、ダイアフラム型エッチング・シーケンスを実行し、その 後トレンチをエッチングしてプルーフ・マスの形成を完了する。同様な手順が、 第６ｆ図に示したバイモル構成のカンチレバー拡張部を画定するために使用され る。基板の研削、研磨、およびダイシングによって、ロード・セル、力センサ、 構造正常性監視アレイ、および音波発生センサに組み込むことができる離散ひず みセンサ・アレイが生成される。腐食センサを囲む異種金属用の電気接点を提供 するには、追加パターン化ステップを追加する。これらの技法は、当業者には明 らかでよく理解されており、本明細書では具体的には取り上げない。 オーバキャップを有さないデバイスの構成が示された第１４図も参照されたい 。この構成では、可とう性ダイアフラム層の下方のギャップ３０中に真空を維持 することも、あるいは、可とう性部材４０を、真空でなくてもよいギャップ３０ の上方で、２つの端部で固定され、あるいは片持ち梁状に固定されたビームとす ることもできる。そのような実施形態では、反射防止コーティング４２を使用し て、可とう性部材を被覆することが好ましい。 当業者には、このプロセスの説明をわずかに変形した多数の例が思いつこう。 それらはすべて、以下の請求の範囲によってのみ制限される本発明の範囲内のも のである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年６月１２日 【補正内容】 補正明細書 これらの場合、静電励起は、小交流電圧を印加してマイクロビームを刺激するこ とによって生成される力を使用して行われる。マイクロビームのたわみの検知は 、応力感応抵抗素子を使用して行われる。振動動作には、電子増幅・位相補正回 路が必要である。本明細書で開示した手法では、マイクロビームを駆動し、マイ クロビームの振動を検知し、ある条件が満たされた場合、電子光学構成要素を介 入させずに自己共振を発生させ、したがって、圧電抵抗器、駆動電極、電気接点 、および電気相互接続用の金属被膜が不要になる。この結果、マイクロビーム構 成が簡略化されるので、処理ステップが減少し、老化や劣化の原因がなくなり、 マイクロビーム間の一致を向上させることができ、マイクロビームを大幅に薄く して感度を増大させ、同時にチップ寸法およびコストを低減させることができる 。 本明細書に記載したものに類似の構造を構築するうえで有用な背景技術または 構築技術については、”ＰＯＬＹＳＩＬＩＣＯＮ ＲＥＳＯＮＡＮＴ ＭＩＣＲ ＯＢＥＡＭ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＦＯＲ ＨＩＧＨ ＰＥＲＦＯＲＭＡＮＣ Ｅ ＳＥＮＳＯＲ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ”Ｇｕｃｋｅｌ等著，０−７８０ 本発明は、２つの半導体ウェハを融解ボンディングすることによって製造され る共振マイクロビームひずみゲージについて説明する”Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔ ｏｒｓ ｓｅｎｓｏｒ ｗｉｔｈ ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ”（Ｅ Ｐ−Ａ−第０４００９３９号）に記載された従来技術とは異なる新規の極めて重 要な特徴を有する。マイクロビームの材料（シリコン）および寸法、ならびに共 振周波数は、本発明の前記材料、寸法、および共振周波数、ならびにＥＰ−Ａ− 第０４５１９９２号の前記材料、寸法、および共振周波数に匹敵するものである 。どちらの文献でも、本発明の場合と同様に、マイクロビームを励起して共振さ せる駆動電極としてマイクロビームの下方のｐ−ｎ接合部が使用されている。し かし、ＥＰ−Ａ−第０４００９３９号も、ＥＰ−Ａ−第０４５１９９２号も、マ イクロビームを介して下部構造へ透過する光は使用していない。本発明は、この 光を２つの方法で使用するものである。反射光は、マイクロビームおよび基板か ら の反射光線の干渉のために変調されるが、この変調を使用して、マイクロビーム の振動運動を検出して共振周波数を読み取る。さらに、本発明では、（同様に変 調された）透過光を使用して、光励起効果によってマイクロビームを駆動する。 このために、本出願の第１ａ、１ｂ、１ｃ図に示したように、マイクロビームの 厚さとマイクロビームの下方のギャップの厚さは、デバイスの動作にとって重大 である。したがって、本発明者の考えでは、引用した従来技術のうちのどれも、 本発明で開示し請求する変調動作または光励起駆動機構の態様を教示しておらず 、あるいは請求していない。 一般に、本明細書のデバイスは、連続光信号またはパルス／変調光信号によっ て駆動できる自己共振部材を有するデバイスと、タイミング・パルスの光信号に よって共振するように駆動される可とう性部材を有するデバイスの２つの可能な 基本態様を有する。一般に、このうちのどちらも、部材で発生する振動に直接関 係するリズムで光入力に影響を及ぼす。というのは、可動部材の反射率が、各振 動ごとに循環的に変化するからである（光が存在するときしか共振しない逆バイ アスｐ−ｎ接合ホトダイオードを使用する第３の態様も記載されている。この第 ３の態様は、顕著な利点と、欠点も有する）。 可とう性部材のこのような振動およびその率は、共振部材に対するその他の環 境の影響、たとえば、応力およびひずみ、温度、圧力、加速、音響などの影響を 受ける。測定中の影響に関するより良い信号雑音比を得るために前記部材の構造 を変化させることができ、したがって、温度の検知には、短いカンチレバー・ビ ームの方がよく、ひずみの検知には、２つの長手方向端部で接続された比較的長 いビームの方がよい。マルチビーム・デバイスも有用である。本明細書では、い くつかの変形例を教示する。 このデバイス１３はもちろん、前記のデバイスに関して説明したのと同様に駆動 される。入力された連続光線またはパルス／変調光線は、キャップ５０およびビ ーム４０中の材料を通過して逆の型の領域３０に到達し、ホトダイオード効果に よって静電力を生成してビーム４０ｃの振動を開始させる。このテーマをわずか に変更した例は、第５ｂ図のデバイス１３ａに記載した構成に類似の構成で実現 することができる。このデバイス構造では、ビーム４０ｃに、光線Ａをホトダイ オード３０に当たる角度で透過させることができる。入射角度が大きいほど、表 面の反射率が高くなる。ファブリ・ペロー干渉計の場合と同様に、反射率が高い ことは、光フィネスが高いことを意味し、強め合う干渉と弱め合う干渉に関する 条件がより臨界的なものとなる。したがって、第１２図中の勾配はより険しくな り、有効利得が増加する。したがって、自己共振に関するしきい値を減少するこ とができるが、キャビティおよびマイクロビームの厚さに関する公差がより臨界 的なものとなる。 第５ｃ図に関して説明した実施例も例示的なものであるが、両端で拘束または 固定されたブリッジ型ビームを示す。発見的デバイスとして、どこでブリッジ型 ビーム４０からカンチレバー・ビームを作製することができるかを示す点線で領 域５２が示されている。構成が終了した後、ビームの構造を修正することは困難 になるので、これはもちろん、例示のためのみのものである。やはりここに示さ れているように、頂部キャップ５０がなくても、すべての実施例、特に、自己共 振が必要とされない実施例は、適切に機能することができる。頂部キャップが欠 落している場合、真空排気チャンバを使用することができず、したがって、ビー ムの運動が、ビームの上方およびビームの下方のキャビティ３１中の流体の存在 の影響を受けることに留意されたい。流体の環境の変化によるビームの共振に対 する流体の存在の影響を測定することが望ましい場合、この構成はそのような検 知応用例に特にうまく適応させることができる。マイクロビーム表面上の選択的 な吸着／脱着によるマイクロビームの追加質量装荷によって、共振周波数がシフ トされ、したがって、化学検知応用例でこれを使用することができる。大気圧の 変化によってデバイスＱの変動を監視することにより、キャップなし共振素子に よって低い圧力を測定することも可能である。たとえば、この構成のセンサは、 前に密封された容器の密封性の喪失を検出する。第５ｃ図には、ユーザのニーズ に適合するように逆の型の材料３０のホトダイオード領域の寸法を大きくし、あ るいは小さくすることも示されている。 第６ｄおよび６ｅ図は、本発明を使用することができる、第６ａ図に類似の加 速度計の他の態様を示す。第６ｆおよび６ｇ図は、基板の幅の狭いカンチレバー 拡張部上のひずみ感応たわみ部材を備える代替センサ態様を示す。拡張部は、一 端のみに取り付けられ、ほぼ自由に屈曲することができる。賢明に材料を選択す ることによって様々な刺激に反応するようになされたバイモルフ・ストリップま たはバイマテリアル・ストリップを形成するために異種材料を頂部または裏側（ 図示）に付着させてある。カンチレバー拡張部は、パッケージが誘導する応力か ら効果的に絶縁されており、感度を増大させ応答を高速にするために幅を狭くし てある。たとえば、ガラスをスパッタリングすると、熱膨張係数の不一致のため に温度に反応するバイモルフ・センサが与えられる。温度が変化すると、カンチ レバー拡張部よりもガラスの方が大きく膨張し、バイモルフが湾曲し、その結果 、たわみ部材の周波数が変化する。付着させる材料の他の例には、水の取込みと 共に膨張して湿度を検知する湿度感応ポリマーが含まれる。種選択膜によって、 選択的化学センサが生成される。磁気ひずみ膜を使用すると、近接検知応用例用 の磁界センサが生成される。圧電材料によって電界センサが生成される。温度補 償効果は、第２の温度感応マイクロビームによってもたらすことができる。温度 の変化を補償する係数として選択された熱膨張係数を有する材料で第２の層を付 着させることもできる。 このデバイスは、その最も簡単で最も効率的な態様では、パルス反復率がビー ムのたわみ率に対応するディジタル適合パルス出力を生成する。 第７図は、自己共振しない本発明の代替実施例を示す。この実施例では、変調 された駆動ビームまたは励起ビームＤは、可とう性ビーム部材４０ａと同じ空間 で延び、かつこの場合は、頂部キャップ５０ａとも同じ空間で延びるように形成 されたｐ−型領域３０ａに当たる。３０ａと２１の間のホトダイオード接合部で の電荷の増大によって、ビーム４０ａは、ウェハ２１に引き付けられ、前述の他 の実施例に関して説明したのと同じ種類の共振運動を発生させる。部材４０ａの 可動表面上で訓練された読取りビームＲは、前述の他の実施例に関する他の可と う性部材の運動の場合と同様に、読取りビームの反射において部材の運動を示す 。 第９ａ図ないし第９ｇ図は、本発明の好ましい一実施例などの構造を製作する ために使用される集積回路型処理ステップを示す。 第９ａ図は、ホトレジスト・窒化ケイ素マスク７２を使用するイオン注入後の 半導体基板７０の断面を示す。このインプラントは、ｎ型半導体ウェハまたはｅ ｐｉ（エピタキシャル成長）層の表面近くに、逆の導電型のシリコン、この場合 はｐ型シリコンの領域を作製するために使用される。 第９ｂ図に、１組の選択的酸化ステップの結果を示す。窒化物７２を、下部キ ャビティ７３を形成する領域の上方でパターン化しエッチする。厚さが下部ギャ ップ厚さにほぼ等しい酸化層を熱成長させ、エッチ・バックし、再成長させ、下 部キャビティ酸化物７３とウェハ基板７０の表面の間にほぼ平坦な表面を形成す る。 第９ｃ図は、チャネル７４を形成した後の断面を示す。チャネルは、窒化物層 ７２をパターン化し、選択的エッチング液を使用してエッチングを施すことによ って形成される。 第９ｄ図は、ビーム構造７５用の多結晶シリコンおよびエンクロージャ７６の 壁を示す。好ましい実施例のこのステップでは、ポリシリコンにイオン注入を施 してビームを軽くドープする。次いで、ビーム・ポリシリコンをパターン化し、 エッチし、第９ｄ図に示した構造が形成される。 次に、第９ｅ図を参照すると分かるように、低温酸化膜（ＬＴＯ）を付着させ 、パターン化し、エッチし、上部キャビティ領域７７を形成して、シェルをビー ムおよび基板に付着させる領域でＬＴＯを除去する。 第９ｆ図に、キャビティ領域またはシェル７３の頂部を示す。第２のポリシリ コン層を付着させ、注入、パターン化、エッチングを施すことによって、シェル ７３を形成する。アニールを使用して注入物を活性化して叩き込み、ビーム・シ ェル・ポリシリコン層中に公称ひずみフィールドを確立する。 第９ｇ図に、フッ化水素酸溶液を使用して、チャネル領域、下部キャビティ領 域７３、および上部キャビティ領域７７中の犠牲材料７４を除去することが示さ れている。この場合、領域７３と領域７７は全体として、好ましい実施例のマイ クロビームの周りにキャビティ・エンクロージャまたはカプセルを形成する。低 圧化学蒸着（ＣＶＤ）ポリシリコン（図示せず）の薄い密封層を付着させ、キャ ビティ領域中に真空を形成し密封する。最後の窒化ケイ素不活性化層（図示せず ）を表面の全体にわたって付着させて、密封を高め反射防止コーティングとして 使用することができる。 このプロセス・フローは、静電駆動／圧抵抗検知手法に勝る光駆動／検知共振 マイクロビームの有利なプロセス削減を示す。このプロセス・フローは、自己共 振態様でも非自己共振態様でも有用である。自己共振態様は、ギャップ寸法およ びマイクロビーム厚さ寸法を慎重に選択することを必要とするが、その他の点で は非自己共振手法と同じである。 本発明の共振マイクロビームの必要なマスキング・レベルの数は、下部駆動レ べル、下部キャビティ、チャネル、ビーム、上部キャビティ、およびシェルの６ レベルに減少される。下部駆動レベルは、基板中のマイクロビームのすぐ下に光 励起デバイスを形成するために使用される（光励起デバイスは、入射放射で刺激 されたときに光励起効果のために電界を生成する。与えられた光は、非自己共振 手法の場合と同様に変調しても、あるいは自己共振モードでは単一の波長のまま 変調しなくてもよい）。下部キャビティ・マスクは、マイクロビームの下方にキ ャビティ領域を形成するのに必要である。必要に応じて電気的接続に用いられる 、ホウ素や、ドーピングに有用なその他の元素などの材料の注入を、このマスキ ング・レベルを介して行うことができる。チャネル層は、犠牲材料を除去するた めに上部キャビティおよび下部キャビティにアクセスできるようにするために使 用される。チャネルは、密封のために薄くする必要がある。ビーム層は、マイク ロビームを表す（この好ましい態様では）縦長のスリットをビーム多結晶シリコ ンに切削するために使用される。上部キャビティ層およびシェル層によって、マ イクロビーム用の真空エンクロージャが完成される。上部キャビティの厚さおよ びシェルの厚さは、（自己共振モードでは駆動光と同じ波長および源、あるいは 非自己共振モードでは第２の波長の）検知放射の最大強度変調を行うのに最適な 厚さになるように設計することが好ましい。後で、一体型光導波管をシェルタ上 に形成することができる。 この好ましい実施例の光共振マイクロビームの処理は、シリコン・ウェハを約 ５０ｎｍ（５００Å）にわたって酸化し、前記ウェハ上に約８０ｎｍ（８００Å ）の窒化ケイ素を付着させることから開始する。ウェハは、ｎ型てもｐ型でもよ く、ダイアフラムまたはフレクシャを形成するためにエピタキシャル成長層を含 めることができる。下部駆動マスキング・レベルを使用して、窒化物をパターン 化しエッチする。酸化物を通してホトレジスト・マスクを注入し、第９ａ図に示 したように、基板にＰＮ接合部を形成する。次のマスキング層の下部キャビティ は、二重酸化ステップ用の窒化物中の窓を形成する。窒化物を酸化バリアとして 使用して、約４４０ｎｍ（４４００Å）の酸化層を成長させる。この酸化物をＨ Ｆ溶液で剥離し、同様な厚さになるまで再成長させ、第９ｂ図に示したように、 マイクロビーム用のほぼ平坦な表面を形成する。希釈フッ化水素酸エッチング液 を使用して酸化トリム・エッチを行い、下部キャビティ深さをより微細な公差に 設定し、たとえば、８００ｎｍ入射放射では３７６ｎｍ（３７６０Å）に設定す る。窒化物をブランケット・ストリップで完全に除去し、その後、第９ｃ図に示 したように、エッチ・チャネルをパターン化しエッチする。この時点で必要に応 じて、チャネル高さを低減させるトリム・エッチを実行する。次に、ビーム・ポ リシリコンを付着させ注入する。ビーム・ポリシリコンの厚さは、自己共振モー ドでは重大であり、励起波長が８００ｎｍ（８０００Å）の場合に４８６ｎｍ（ ４８６０Å）を目標とする。ビーム・インプラントとシェル・インプラントが、 同じドーパントを使用し、かつ下部単結晶基板またはエピタキシャル成長層と同 じドーパントを使用することが予想される。第９ｄ図に示したように、ビーム・ ポリシリコンをパターン化しエッチする。マイクロビーム上にＬＴＯ層を共形的 に付着させる。ＬＴＯを上部キャビティ層と共にパターン化し、第９ｅ図に示し たように、上部犠牲層を形成するようにエッチする。厚いシェル・ポリシリコン （２．０μｍ）を付着させて注入し、その後、９５０℃でのアニールを施して、 ひずみフィールドを設定し注入物を叩き込む。反射防止窒化物コーティングを使 用して上部シェル表面からの反射を打ち消す場合、シェルの厚さは重大ではない 。次いで、第９ｆ図に示したように、シェル層を使用してポリシリコンをパター ン化しエッチする。ＨＦ溶液を使用して犠牲エッチングを施し、その後、引っ張 り出してキャビティをリンスし乾燥させる。１６０ｎｍ（１６００Å）のポリシ リコン 層を付着させて、第９ｇに示したように、真空を密封し反応シールを形成する。 反射防止コーティングとして追加機能を実行する１０４ｎｍ（１０４０Å）の窒 化ケイ素不活性化層をウェハ全体にわたって付着させる。 補正請求の範囲 １． 共振半導体マイクロ構造体（１０）において、 一方の面にキャビティ（３１）を有する半導体ベース（２０）と、 半導体材料で形成され、キャビティ（３１）に近接する少なくとも一カ所で半 導体ベース（２０）に接続され、半導体ベースから反射する光エネルギーが可と う性部材（４０）の振動によって変動し、半導体ベースの少なくとも１つの他方 の固定表面とともに光干渉構造を形成する振動可とう性部材（４０）とを備える ことを特徴とする共振半導体マイクロ構造体（１０）。 ２． さらに、可とう性部材（４０）の共振周波数で前記可とう性部材を駆動す る、前記可とう性部材に結合された圧電駆動手段（３０）を備えることを特徴と する請求項１に記載の共振半導体マイクロ構造体（１０）。 ３． さらに、入射放射エネルギー（ａ）によって可とう性部材（４０）がその 固有周波数で共振するように、可とう性部材（４０）に近接する位置に形成され た光励起駆動手段（３０）を備えることを特徴とする請求項１に記載の共振半導 体マイクロ構造体（１０）。 ４． 可とう性部材（４０）が、微粒子ポリシリコンで形成されることを特徴と する請求項３に記載の共振半導体マイクロ構造体（１０）。 ５． 光励起駆動手段（３０）が、半導体ベース（２０）をドープすることによ って形成されたｐ−ｎ接合部を備え、ｐ−ｎ接合部の一部が、可とう性部材（４ ０）の真下のキャビティ（３１）の表面に位置することを特徴とする請求項４に 記載の共振半導体マイクロ構造体（１０）。 ６． 入射放射エネルギー（ａ）を生成して可とう性部材（４０）の方へ送るた めにマイクロ構造体（１０）に光学的に結合された発光手段（１３）と、 マイクロ構造体（１０）から放射エネルギー（ａ）を受け取る、マイクロ構造 体に近接する位置に配設された光検出器（９０）とを備えることを特徴とする請 求項１に記載のマイクロ構造体（１０）。 ７． さらに、発光半導体材料で形成され、半導体ベース（２０）の一方の面上 のキャビティ（３１）とともに可とう性部材（４０）の露出されたすべての面を 封止する密封空間（４１）を形成するカバリング構造（５０）を備えることを特 徴とする請求項３に記載のマイクロ構造体（１０）。 ８． キャビティ（３１）が真空排気されることを特徴とする請求項７に記載の 共振半導体マイクロ構造体（１０）。 ９． カバリング構造（５０）が、窒化ケイ素であることを特徴とする請求項７ に記載のマイクロ構造体（１０）。 １０． 光励起駆動手段（３０）と可とう性部材が、一体型モノリシック構造を 形成することを特徴とする請求項３に記載の共振半導体マイクロ構造体（１０） 。 １１． 可とう性部材（４０）が、ポリシリコンで形成され、 半導体ベース（２０）が、単結晶シリコンからなり、 光励起駆動手段（３０）が、半導体ベース中のキャビティ（３１）の一部に形 成される ことを特徴とする請求項３に記載の共振半導体マイクロ構造体（１０）。 １２． 可とう性部材（４０）が、全体的に矩形に形成され、可とう性部材の中 央部が、拡張された中央領域を有することを特徴とする請求項３に記載のマイク ロ構造体（１０）。 １３． 可とう性部材が、矩形に形成され、少なくとも１つの横方向取付け手段 を有することを特徴とする請求項３に記載のマイクロ構造体（１０）。 １４． 可とう性部材が、微粒子ポリシリコンを含むことを特徴とする請求項１ に記載の共振半導体マイクロ構造体。 １５． 可とう性部材が、多結晶シリコン、ＧａＮ、ＧａＡｌＡｓ、ＡｌＧａＮ 、ＳｉＣ、ダイヤモンド、あるいは適当なＩＩＩ−Ｖ材料またはＩＩ−ＶＩ材料 のうちの選択された１つの材料からなり、 半導体材料が、単結晶シリコン、ＧａＮ、ＧａＡｌＡｓ、ＡｌＧａＮ、ＳｉＣ 、ダイヤモンド、あるいは適当なＩＩＩ−Ｖ材料またはＩＩ−ＶＩ材料のうちの 選択された１つの材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の共振半導体マイ クロ構造体。 １６． 光励起駆動手段（３０）が、ｐ−ｎ接合部を備えることを特徴とする請 求項３に記載の共振半導体マイクロ構造体（１０）。 １７． 可とう性部材（４０）が、基板（２０）の薄いカンチレバー拡張部（４ ０ｃ）として形成され、カンチレバー拡張部が、事前に選択された当該の環境特 性に対応する材料と連通したときに、カンチレバー拡張部（４０ｃ）がたわみ、 その結果、カンチレバー拡張部の共振周波数がシフトするように、一方の面に特 定の材料のコーティング層を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ 構造体（１０）。 １８． 特定の材料が、湿度感応材料、磁気材料、圧電材料、薬品感応／差動材 料、または異なる熱膨張係数を有する熱感応材料のうちの選択された１つの材料 からなり、選択された当該の環境特性がそれぞれ、湿度、磁界、電界、化学種、 および温度から成ることを特徴とする請求項１７に記載のマイクロ構造体（１０ ）。 １９． 光励起駆動手段（３０）が、金属半導体界面、部分的に充填された表面 状態、または完全に充填された表面状態のうちの選択された１つの状態を備える ことを特徴とする請求項３に記載の共振半導体マイクロ構造体（１０）。 ２０． さらに、半導体ベース（２０）中に形成された複数の可とう性部材（４ ０）を備え、前記各可とう性部材（４０）が、半導体ベース（２０）中に形成さ れた他の複数の可とう性部材のそれぞれとは異なる周波数で共振することを特徴 とする請求項１に記載の構造。 ２１． 入射放射エネルギー（Ａ）が、 連続波非変調光、 可とう性部材の共振周波数で変調された変調光、 光の変調周波数が、可とう性部材の共振周波数を包含する範囲にわたって掃引 される変調光、 マイクロ構造体の可とう性部材の共振周波数よりもずっと低い率でパルスが発 生する、周波数の低い光パルスのうちから選択された１つの光を含むことを特徴 とする請求項３に記載の共振半導体マイクロ構造体。 ２２． 共振マイクロ構造体が、流体圧力に反応するように配向させた変形可能 なダイアフラム（６８Ａ）上に配設されることを特徴とする請求項７に記載のマ イクロ構造体（１０）。 ２３． さらに、入射放射エネルギー（Ａ）を可とう性部材（４０）に集中させ るために光ファイバ（６７）に結合された光合焦手段（６９）を備えることを特 徴とする請求項７に記載のマイクロ構造体（１０）。 ２４． 可とう性部材の少なくとも２つの対向する端部が、半導体基板に固定さ れ、そのため、課された磁界に反応するようになされ、 可とう性部材（４０）の変位が、可とう性部材中を流れる光誘導電流と、磁界 の存在が相まって発生することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ構造体。 ２５． 可とう性部材（４０）が、ベース（２０）の複数の場所に取り付けられ 、自由に振動することができ、結果的に得られる可とう性部材の振動の周波数が １つには、ベースの取付け位置を介して可とう性部材に加えられる応力の方向お よび大きさによって決定されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ構造 体（１０）。 ２６． 発光手段が、ダイオードを備えることを特徴とする請求項６に記載のマ イクロ構造体（１０）。 ２７． さらに、電位が印加されたことに応答して可とう性部材（４０）の振動 の振幅または周波数を変化させる少なくとも１つの電極手段を備えることを特徴 とする請求項１に記載のマイクロ構造体（１０）。 ２８． それぞれ異種材料で製造された少なくとも２つの電極を備え、第１の電 極（２３）が、光励起構造（３０）に電気的に結合されかつ半導体基板（２０） から電気的に絶縁され、第２の電極（２２）が、第１の電極から電気的に絶縁さ れかつ電解液材料の一部に接触するように配設され、その結果、第１または第２ の電極が電解液材料の一部に接触したときに可とう性ビーム（４０）の共振が変 化または停止することを特徴とする、前記マイクロ構造体を支持する表面に近接 する位置、又は前記表面に設けられた電解液材料の存在に反応する請求項２７に 記載のマイクロ構造体（１０）。 ２９． 一方の面にキャビティ（３１）を有する半導体ベース（２０）と、 半導体材料で一体に形成され、キャビティ（３１）に近接する位置で半導体ペ ース（２０）に接続された遠位端と、可とう性ビーム部材がキャビティ全体にわ たって延びるように半導体ベースに接続された近位端とを有する第１の可とう性 ビーム部材（４０）と、 一部がキャビティ（３１）内に位置するように配設された第１の光励起駆動構 造（３０）と を備えることを特徴とするマイクロ構造体の方へ送られる入射光（ａ）に応答し て振動するマイクロ構造体（１０）。 ３０． 複数のキャビティ（３１）を有する半導体ベース（２０）と、 各キャビティ（３１）に対応し、半導体材料で一体に形成され、少なくともキ ャビティに近接する一カ所で半導体ベースに接続され、半導体ベースから反射す る光エネルギーが、可とう性部材（４０）の振動によって変動するように、半導 体ベースの少なくとも１つの他方の固定表面とともに光干渉構造を形成し、二次 元ひずみに対する感度を最適化するために半導体ベース上で相互に直交させて配 置した複数の振動可とう性部材（４０）と を備えることを特徴とする複数の共振半導体マイクロ構造体（１０）のひずみセ ンサ・アレイ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ Ｇ０１Ｌ 9/00 7708−2Ｆ Ｇ０１Ｌ 9/00 Ｃ Ｇ０１Ｐ 15/10 7187−2Ｆ Ｇ０１Ｐ 15/10 Ｈ０１Ｌ 31/10 7630−2Ｋ Ｈ０１Ｌ 31/10 Ｚ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＡ，ＪＰ (72)発明者 バーンズ，デビッド・ダブリュ アメリカ合衆国 55408 ミネソタ州・ミ ネアポリス・１エスティ アヴェニュ サ ウス・5537 【要約の続き】 ・電子・機械的に結合されたホトダイオードとして働 き、入射駆動光によって可とう性部材を逆の型の領域に 静電的に引きつけさせる。可とう性部材を基板あるいは 一体型カバーまたは頂部キャップに近接させると、部材 のわずかな変位によって反射光の強度を大きな変調する ことができるファブリ・ペロー干渉計が形成される。好 ましい態様は、真空排気されたカプセル内に位置する振 動部材を有する。頂部キャップが前記部材の一方の面を 密封し、前記部材が取り付けられ、あるいは形成された ウェハが他方の面を密封する。圧力センサ、加速度計、 音響範囲装置、温度感応装置などの応用例がある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．１つの半導体本体上に一体に形成された共振マイクロ構造体において、前記 本体が、第１の電気型の材料のものであり、少なくとも１つの位置に逆の型の電 気型の材料の領域を有し、 前記少なくとも１つの位置がキャビティであり、前記キャビティが、前記第１ の型の材料の平坦な可とう性材料であることを特徴とする共振マイクロ構造体。 ２．前記平坦な可とう性構造が、前記逆の型の材料または前記可とう性部材から 離隔された非ドープ・ポリシリコンのカバリングであることを特徴とする請求項 １に記載の共振マイクロ構造体。 ３．光路が、前記カバリングの上方に形成され、放射エネルギーを前記カバリン グおよび前記平坦な構造を通して前記逆の型の材料の領域に供給するように構築 され配設されることを特徴とする請求項２に記載の共振マイクロ構造体。 ４．前記マイクロ構造体が、他の構造には電気的に接続されないことを特徴とす る請求項１に記載の共振マイクロ構造体。 ５．一方の電気型の半導体本体の表面平面上に一体に形成された共振マイクロ構 造体において、キャビティが、逆の型の材料の埋込み領域の上方の前記半導体本 体の一表面の平面の下方に存在し、可とう性のほぼ平坦な部材が、前記表面平面 に存在し、密封されたカバリングが、前記可とう性の平坦な部材の上方に前記部 材から間隔を置いて存在するように、前記逆の型の領域の上方の前記表面平面上 に一体に形成された共振マイクロ構造体。 ６．光路が、前記カバリングの上方に形成され、放射エネルギーを前記カバリン グおよび前記平坦な部材を通して前記逆の型の材料の領域に供給するように構築 され配設されることを特徴とする請求項５に記載の共振マイクロ構造体。 ７．前記マイクロ構造体が、他の構造には電気的に接続されないことを特徴とす る請求項５に記載の共振マイクロ構造体。 ８．前記下部キャビティが、λ／４の奇数倍数であり、前記上部キャビティがλ ／２の奇数倍数であることを特徴とする請求項４に記載の共振マイクロ構造体。 ９．光路が、前記カバリングと一体に形成され、放射エネルギーを前記カバリン グおよび前記平坦な構造を通して前記逆の型の材料の領域に供給するように構築 され配設されることを特徴とする請求項２に記載の共振マイクロ構造体。 １０．前記マイクロ構造体が、金属化によって他の構造に接続されることがない ことを特徴とする請求項１に記載の共振マイクロ構造体。 １１．高温検知応用例で使用する請求項１０に記載の共振マイクロ構造体。 １２．共振デバイスを構築する方法において、 Ａ．一方の電気型の領域をウェハに埋め込むステップと、 Ｂ．前記領域と逆の電気型の前記領域から間隔を置いて、かつ前記逆の電気型 の領域の前方に可とう性部材を構築するステップとを含むことを特徴とする方法 。 １３．さらに、 Ｃ．前記可とう性部材の上方に、かつ前記可とう性部材から間隔を置いてポリ シリコン・シェルを構築するステップを含むことを特徴とする請求項１３に記載 の共振デバイスを構築する方法。 １４．さらに、 Ｄ．前記シェルの下方の空間および前記可とう性部材の周りの空間を真空排気 するステップと、 Ｅ．前記真空排気された領域を密封するステップとを含むことを特徴とする請 求項１３に記載の共振デバイスを構築する方法。 １５．少なくとも２つの領域を有する、入射放射に応答する共振デバイスにおい て、前記デバイスが、少なくとも２つの電気型の半導体材料で形成され、前記共 振デバイスが、共振運動のための可とう性部材を有し、前記部材が、前記２つの 領域のうちの一方に位置し、前記２つの電気型のうちの一方のものであり、前記 少なくとも２つの領域のうちの第２の領域が、前記部材とは逆の電気型の領域を 有し、前記部材から距離を置いて配設され構成され、前記距離が、前記部材の運 動と共に変動し、前記部材を横切り前記領域に到達する入射放射が、前記領域と 前記部材の間に十分な電位差を発生させ、かつ前記部材が前記領域の方へ引かれ るほど小さいことを特徴とする共振デバイス。 １６．前記可とう性部材が、前記領域からはね返るのに十分なＱを有することを 特徴とする請求項１５に記載の共振デバイス。 １７．前記可とう性部材が、密封されたカプセル中にあることを特徴とする請求 項１５に記載の共振デバイス。 １８．複数のそのような可とう性部材があるが、そのような領域は１つしかない ことを特徴とする請求項１５に記載の共振デバイス。 １９．複数のそのような部材および領域があることを特徴とする請求項１５に記 載の共振デバイス。 ２０．部材がビームであることを特徴とする請求項１５に記載の共振デバイス。 ２１．部材が、部材と同じ空間で延びる第２の領域と同じ電気型のものであり、 前記第２の領域が、駆動放射ビームを受け取るためのものであり、前記部材が、 読取りビームの反射読取りを行うためのものであることを特徴とする請求項１５ に記載の共振デバイス。 ２２．第１の型の材料のウェハ上に構築された共振デバイスにおいて、前記デバ イスが、第１の電気型の可とう性部材と、前記可とう性部材から間隔を置いて配 置された逆の型の領域とを有し、前記逆の型の領域が、電気ドレーンに電気的に 接続され、前記第１の型の材料が、電圧源に電気的に接続されることを特徴とす る共振デバイス。 ２３．前記デバイスが、それぞれ、電気ドレーンに接続された、前記可とう性部 材から間隔を置いて配置された逆の型の２つの領域を有することを特徴とする請 求項２２に記載のデバイス。 ２４．少なくとも２つが、音叉として動作する、複数のビームを有する請求項１ 、５、２２のいずれか一項に記載の共振センサ・デバイス。 ２５．プルーフ・マスと、加速度に関して試験中の構造に前記プルーフ・マスを 接続する少なくとも１つのフレクシャとを有し、請求項１、５、１５、または２ ２に記載の共振デバイスが設置されることを特徴とする加速度計。 ２６．請求項１、５、１５、または２２に記載の共振デバイスが、圧力センサ自 体の可とう性ダイアフラム上に設置されることを特徴とする圧力センサ。 ２７．前記領域に電極が取り付けられることを特徴とする請求項１、５、または １５に記載の共振デバイス。 ２８．キャビティの上方に懸垂された一方の電気型の比較的小さな可とう性部材 に電気的に接続された同じ電気型の材料の大きな領域を有し、前記懸垂された部 材の下方に、前記大きな領域と共にＰＮ接合部を形成する逆の型の電気材料の領 域がある、放射エネルギーによって駆動される共振デバイス。 ２９．共振デバイスを構築する方法が、 Ａ．第１の電気型の領域から間隔を置いて、かつ前記領域のすぐ前に可とう性 部材を構築し、 Ｂ．前記可とう性部材を、前記第１の型とは逆の電気型の領域となるようにイ ンプラントするステップとを含むことを特徴とする方法。 ３０．さらに、 Ｃ．前記可とう性部材の上方に、かつ前記可とう性部材から間隔を置いてポリ シリコン・シェルを構築するステップを含むことを特徴とする請求項２９に記載 の共振デバイスを構築する方法。 ３１．さらに、 Ｄ．前記シェルの下方の空間および前記可とう性部材の周りの空間を真空排気 するステップと、 Ｅ．前記真空排気された領域を密封するステップとを含むことを特徴とする請 求項３０に記載の共振デバイスを構築する方法。 ３２．さらに、 Ｆ．可とう性部材付近の前記ウェハの表面に電極を接続するステップを含むこ とを特徴とする請求項２９に記載の共振デバイスを構築する方法。 ３３．さらに、 Ｆ．可とう性部材付近の前記ウェハの表面に電極を接続するステップを含むこ とを特徴とする請求項１５に記載の共振デバイスを構築する方法。 ３４．請求項１、５、１５、または２２に記載の共振デバイスが設置された、音 響エネルギーをひずみエネルギーに変換する音響範囲装置において、共振部材が 、大気の音響擾乱のために発生したひずみに応答して共振周波数を変調するよう に構成され配設され、そのため、読取り光線が、前記音響周波数で変調されるこ とを特徴とする音響範囲装置。 ３５．請求項１、５、１５、または２２に記載の共振デバイスが設置された、熱 エネルギーの変化をひずみエネルギーに変換する温度感応装置において、共振部 材が、大気の熱の変化のために発生したひずみに応答して共振周波数を変調する ように構成され配設されることを特徴とする温度感応装置。 ３６．共振部材が、カンチレバー・マイクロビームであることを特徴とする請求 項３５に記載の温度感応装置。