JP2010034048A - 低仕事関数の電気部品 - Google Patents

Abstract

【課題】過酷な環境下でも機能し得る、信頼性があり費用効果が高いＭＥＭＳおよびＭＥＭＳアレイ。また、既存の集積回路製造設備と適合する技術を用いて製造可能なＭＥＭＳアレイ。
【解決手段】電気部品１００は、開位置と閉位置との間で互いに移動可能な少なくとも２つの電気接点１０２，１０６を備え、電気接点１０２，１０６のうちの少なくとも１つは仕事関数が約３．５ｅＶ未満である材料からなり、閉位置での電気接点間の間隔は０ｎｍ〜約３０ｎｍである。また、前記電気接点１０２，１０６は、セシウム、カリウム、ナトリウム、バリウム、カルシウム、窒化ガリウム、マグネシウム、アルミニウム、銀、シリコン、二酸化チタン、ダイアモンド状炭素（ＤＬＣ）、金、ルテニウム、またはそれらの組み合わせからなる材料を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して電気部品の分野に関する。より具体的には、本発明は低仕事関数材料を組み込んだ電気部品に関する。

マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、センサやアクチュエータなどの機械的要素と基板上の電子回路との微細加工技術による統合を表わす。電子回路は集積回路製造技術を用いて製造されるが、マイクロ電気機械部品は典型的には、リソグラフィ工程などの適合するマイクロ加工工程を用いて製造される。リソグラフィ工程を使用できることは重要な利点である。例えば、それによってＭＥＭＳの特徴寸法を極めて容易に制御できるようになる。リソグラフィ工程によって、ＭＥＭＳのアレイを製造するための製造工程の容易なスケーリングも可能になる。

ＭＥＭＳ技術は、動作のために限定された移動範囲を必要とするアクチュエータまたはスイッチなどの部品を製造するのに適している。スイッチのアレイもＭＥＭＳ技術を用いて実現できる。

一種のＭＥＭＳは、カンチレバーなどの可動ビームの形式のものでよい懸垂形接続部材を含む。このようなデバイスはさらに、懸垂形接続部材を移動させるため、静電式のものでよい作動機構を含んでもよい。この移動によって、電気接点が懸垂形接続部材の表面とＭＥＭＳの隣接部材の表面の間の電気接触を「確立」および「遮断」させることにより、ＭＥＭＳのいずれか２つ以上の部材間の電気的連通が可能になる。この移動はさらに、当該の２つの表面間の電気的連通の大きさを変更させる方法としても機能することができる。

このようなデバイスの１つの重要な性能指数は、懸垂形接続部材の移動を介して電気的に連通される異なる部品間の電気接触抵抗である。ＭＥＭＳの性能の信頼性に影響する関連事項は、問題の２つの部品間のアーク放電および／または溶着の可能性に関わるものである。このアーク放電および／または溶着により、電気接触抵抗の制御されない変化を生ずることがあり、事実、電気接点の一時的または永続的な焼き付きを生ずることもある。

これらの問題は、このようなデバイスを例えば過酷な環境で配備する場合に特に関係がある。カンチレバーを使用したＭＥＭＳなどのＭＥＭＳの仕事を決定する１つの要因は、懸垂形接続部材が配置される周囲環境である。したがって、ＭＥＭＳはその部材を囲む「清潔」で既知の環境を確保するために密閉状態で封入されることが多い。環境をこのように管理することによって、部品に堆積する汚染物によるＭＥＭＳの性能低下の可能性が低減される。

米国特許第６，９６７，５４８ Ｂ２号 米国特許第６，０４０，６１１号 欧州特許第１，５２９，３００ Ｂ１号 米国特許第６，８８０，２３５ Ｂ２号

過酷な環境下でも機能し得る、信頼性があり費用効果が高いＭＥＭＳおよびＭＥＭＳアレイの開発は、ＭＥＭＳ技術が直面する課題の１つである。また、既存の集積回路製造設備と適合する技術を用いて製造可能なＭＥＭＳアレイが必要とされている。

したがって、改良された電気接点を有し、既存の集積回路製造設備を用いて容易に製造できるＭＥＭＳが極めて望まれる。

本発明の実施形態は、電気部品および電気部品アレイを対象としたものである。

電気部品は、開位置と閉位置との間で互いに相対移動可能な少なくとも２つの電気接点を含み、電気接点のうちの少なくとも１つは、仕事関数が約３．５ｅＶ未満である材料を含み、閉位置での電気接点間の間隔は０ｎｍ〜約３０ｎｍである。

デバイスは複数の電気スイッチを含み、各々の電気スイッチは、開位置と閉位置との間で互いに相対移動可能な少なくとも２つの電気接点を含み、少なくとも１つの電気接点は仕事関数が約３．５ｅＶ未満である材料を含み、閉位置での電気接点間の間隔は０ｎｍ〜約３０ｎｍである。

これらおよびその他の利点や特徴は、添付図面に関連した本発明の好ましい実施形態の詳細な説明により明らかとなる。

全図面を通して、これらは本発明の好ましい実施形態を説明するために例示されたものであり、本発明の実施形態はこれらに限定されるものではない。

本発明の例示的実施形態による電気部品の概略図である。 本発明の例示的実施形態による開位置にあるスイッチの概略側面図である。 本発明の例示的実施形態による閉位置にあるスイッチの概略側面図である。 本発明の例示的実施形態による閉位置にあるスイッチの概略側面図である。 本発明の例示的実施形態による電気部品アレイの概略図である。

以下の説明では、本発明による実施形態の特定の態様または特徴が、本発明による要素群またはそれらの組み合わせのうちの１つ以上を有する、または１つ以上からなると言及する場合は常に、これらの態様または特徴が、かかる群の中の任意の要素を別個独立に、またはかかる群の中のその他の要素を組み合わせて有していても、このような要素からなっていてもよいことを理解されたい。

本明細書で用いる用語「スイッチ」とは、電気部品の２つの部材を接続し、遮断するために使用可能なデバイスのことである。このようなスイッチの動作の機構は機械的なものでもよく、電気的なものでもよく、または化学的なものでもよく、あるいは上記を組み合わせたものでもよいであろう。このようなスイッチの適当な非限定的な例は、マイクロ電気機械スイッチである。

本明細書で用いる用語「隣接する」とは、電気部品を構成する異なる部材の説明の文脈で用いる場合、当該の部材が互いに近接する状態のことであり、または当該の部材間に介在部材が存在する状態のことも言う。

本明細書で用いる用語「連通」は、電気部品の少なくとも２つの部材の説明の文脈で用いる場合、電子が当該の少なくとも２つの部材間をトンネリング、またはその他の態様で流れることができることを意味する。

本明細書で用いる用語「仕事関数」とは、電子を中性の固体から固体表面のすぐ外側のポイントまで移動させるために必要な（通常は電子ボルトで表わされる）最小エネルギ（または電子をフェルミエネルギレベルから真空へと移動させるために必要なエネルギ）のことである。ここで「すぐ」とは、電子の最終的な位置が原子スケールでは表面から遠く離れているが、それでも顕微鏡スケールでは固体表面に近いことを意味する。金属である固体の表面からの電子の抽出は、光電現象、熱電子現象および電界現象などの異なる現象に基づく幾つかの励起方法を介して誘発することができる。したがって、仕事関数を光電子仕事関数、熱電子仕事関数、および電界仕事関数と言ってもよい。

本明細書で用いる用語「トンネリング」とは、大きさが粒子の運動エネルギよりも大きいポテンシャルエネルギの障壁を透過または通過することによって、電子などの粒子が従来の力学に反する、通常はナノメートルの長さのスケールでのみ重要な量子力学現象のことである。本明細書で量子トンネリングの文脈で用いる用語「障壁」は、古典的な力学によれば電子などの粒子の所定のエネルギの場合は越えることが不可能であるはずの丘や斜面に類似するエネルギ状態であると想起してよい。

本明細書で用いる用語「表面粗さ」とは、機械的表面の高さの小規模な変化の尺度である。この特性は、例えば表面の形状の一部である高さの大規模な変化とは区別されるべきである。表面粗さは、例えば摩擦、摩耗、抗力、および疲労の現象で重要な役割を果たす。表面粗さは例えば、二乗平均平方根として定量化することができる。

本明細書で用いる用語「凹凸」は、顕微鏡的に「平坦」な表面の説明の文脈で用いる場合、部品の表面粗さの一因となる表面にある粗い、尖った、またはごつごつした特徴のことである。凹凸は、固体表面の小規模で局所的な不規則の隆起であると想起してもよい。これは表面粗さという用語と密接に関連しており、２つの用語を置き換えて用いてもよい。

本明細書で用いる用語「電気接点」および「電気接触面」は相互に密接に関連しており、場合によっては置き換えて用いてもよい。これは、いずれか２つの固体の電気接点間の電気的連通が電気接点の表面を介して行われるという事実の認識であり、すなわち、「電気接点」とは、隣接部材との電気的連通を可能にする電気デバイスの部材のことである。これに対して、「電気接触面」とは、前記の電気的連通がその面にわたって生ずる電気接点の表面のことである。

本明細書で用いる用語「開」は、２つの電気接触面間の連通量および／または電気接触の状態の説明の文脈で用いる場合、２つの電気接触面間に電流が流れないか、またはごく僅かしか流れない状況のことである。同様の文脈で、本明細書で用いる用語「閉」は、２つの電気接触面間の連通量および／または電気接触の状態の説明の文脈で用いる場合、２つの電気接触面間に所定の状況で相当の電流量が流れる状況のことである。

特定の材料、および放出のための電子の特定の励起方法で、仕事関数の実際の「有効」値は、励起源に対する材料の下層の結晶格子の配向、表面の性質と品質、表面上に他の材料の追加層が存在するか否か、これらの材料の化学組成、材料内にある異なる種類の化学結合の種類と数を含むがこれらに限定されない幾つかの要因に依存し得る。したがって、いずれかの電気部品の有効仕事関数は、状況に特有のパラメータに応じて変化することがあることを理解されたい。表面の性質と品質は、部品の化学組成、低仕事関数の部品を構成する低仕事関数材料内にいずれかのドープ剤が存在するか否か、ドープ剤のドーピングレベル、部品の微細構造／形態、部品の結晶度、部品内の機械的歪みのレベル、部品の温度、および部品に加えられるバイアスの種類と性質などを含むがこれらに限定されない、相互に関連し得るシステムおよび環境の複数のパラメータに依存することが指摘されている。低仕事関数層の微細構造／形態は、低仕事関数部品の製造に用いられる方法に依存することがあり得る。

実際の表面にはいずれもある程度の粗さがある。したがって、２つの表面が「接触」または電気的に連通されると、それぞれの表面の凹凸の相互作用により、電気接触の実際の表面積は、２つの表面が重複する表面積よりも小さくなる可能性が高い。２つの表面が機械的に電気接触している場合に一方の表面から他方の表面への電気伝導が生ずることができ、または２つの表面が離隔している場合は、適当な条件下で２つの表面間のトンネリングの量子力学現象を介して電気伝導が生ずることがある。したがって、２つの表面間の電子のトンネリングの確率が高まるような特徴を持つように表面を形成することによって、２つの表面間の電気接触を向上させることができる。非限定的な好適の例として、電気的表面をナノ構造に形成して、両者間のトンネリングの確率を高めることができる。一実施形態では、電気接触は１つまたは複数のトンネリング構造を含み、各々の構造は１つまたは複数の隆起／バンプを含むことができる。隆起はさらに、トンネリングの確率を高め、ひいては電気接点間の電流の流れの増強をもたらす好適な形状または配置の尖った先端を組み込むこともできる。このような特徴の製造方法は公知である（非限定的な例として、例えばＭａらの米国特許第６，９６７，５４８ Ｂ２号を参照）。

電気接触抵抗および電気接点の焼き付きの可能性は、ＭＥＭＳの重要な性能指数である。これらは双方とも、その他の諸要因ともに、当該の２つの表面が電気的に連通した場合のそれらの表面間の「密着」の時間的な進展に依存する。電気スイッチは必然的に少なくとも２つの接触面を含み、従来これらのスイッチは実際の機械的接触を介したいずれか２つの電気接触面間の連通を可能にしてきた。この電気的連通は伝導機構を介して行われる。このような機械的接触の時間経過を経た信頼性には、２つの側面がある。その第１は、前述のように、両方の電気接点の表面に存在し、重複面積よりも小さい電気接触の有効面積を生ずる凹凸が必然的に存在することである。第２の側面は、２つの接触面間の機械的接触が繰り返し「行われ」、かつ「遮断され」、結果として電気接触面の完全さが劣化する結果を招くことである。このことは、電気的に連通する異なる部材の材料、および電気的に連通する電気接触面の粗面化を招く動作中の材料転移などの、２つの電気接点間の電気伝導の特性に依存する要因を考慮することで理解することができる。表面の粗面化の結果、有効な電気接触面積が縮小し、その結果、付随する電気接触抵抗の増大によりさらに、電気接点間のアーク放電および電気接点の溶着／短絡の確率が高まる。

したがって、２つの電気接点間の適切な電気的連通のために、いずれか２つの電気接点間の実際の機械的な電気接触の必要性をある程度まで制限し、可能な限り全くなくすことは有利であり得る。先行技術のスイッチの前述の欠点は、電気的連通の主要な機構が電子トンネリングである電気接点などの機械的接触を必要としない電気接点を使用することによって軽減することができる。

２つの表面間の電子トンネリングの確率は、２つの表面間の間隔、および放出面の仕事関数などの相互に関連する可能性がある幾つかの要因に依存する。仕事関数が高いほど、電子が前記材料から抜け出すのに必要なエネルギは大きくなる。この分野でよく知られているように、電気伝導または連通がいずれかの２つの電気接触面間で生ずる場合、これらの接触面を幾つかの方法で容易に互いに隣接して配置できる。これらは例えば、機械的な電気接点でよい。別の可能性は、それらが凹凸のみで接触することである。さらに別の可能性は、いずれかの電気接触面の平均凹凸サイズよりも大きい間隔だけ２つの電気接触面を離隔することであり、そうすることでトンネリングを介して電気接触面間の電気伝導が生ずる。いずれか２つの電気接点間の電気伝導の実際の状況では程度の差はあれ、これらのモードのいずれか、または全てが存在する可能性がある。

したがって、１つまたは複数の低仕事関数材料からなる電気接点を設けることは、前記電気接点といずれかの他の隣接する電気接点間の電気的連通を増強する方法である。本発明の一実施形態では、いずれか２つの電気接点間の電気伝導の増強を確実にするため、電気接点を低仕事関数の材料から構成することができる。２つの表面間の間隔を低い値ではあるが良好に定められた値に保つことにより、２つの表面間が直接機械的に接触しないようにすることで、電気接点の摩耗を低減することができる。機械的な電気接触が直接なされないことは、２つの電気接触面間の機械的な電気接触が繰り返し行われ、また遮断されることによる摩損に起因する表面の粗面化により、表面が摩耗する可能性が低くなることを意味する。

本発明の一実施形態では、少なくとも２つの電気接点のうちの少なくとも１つは、仕事関数が約３．５電子ボルト（ｅＶ）未満である材料を含む。本発明の別の実施形態では、少なくとも２つの電気接点のうちの少なくとも１つは、仕事関数が約２ｅＶ未満である材料を含む。本発明の一実施形態では、少なくとも２つの電気接点のうちの少なくとも１つは、仕事関数が約１ｅＶ未満である材料を含む。

少なくとも２つの電気接点は、例えば各々が少なくとも１つの表面を別個に含む電気接点でよい。異なる電気接点からの異なる表面は、互いに別個に電気的に連通されてもよい。少なくとも２つの電気接点間の電気的連通の量および種類は、電気接点が構成される材料、電気接点の表面上の薄膜でよい追加層が存在するか否か、２つの電気接点間の間隔、および電気接点が配置される環境を含むが、これらに限定されない多くの要因に依存することがある。

少なくとも２つの電気接点間の電気的連通の量および種類は、電気接点が製造される材料に依存することがある。材料から電子が放出する確率は、材料の仕事関数が低くなるにつれ高まることがこの分野で一般に知られている。電界に誘発される電子の放出を生ずるため、例えば２つの電気接点間に電圧を印加することにより電気接点における電界を生成してもよい。電子の放出が求められる電気接点に電圧源の負端子からの電圧を印加する必要がある。

少なくとも２つの電気接点間の電気的連通の量および種類はさらに、電気接点の表面粗さに依存することがある。一実施形態では、電気接点の表面粗さは約０．５ナノメートル（ｎｍ）から約２ｎｍである。

図１は電気部品１００の一実施形態の概略図である。図示した実施形態は、座標軸系１０４で示されるように、空間内での移動が可能であり得る第１の電気接点１０２を含む。図示した実施形態はさらに、座標軸系１０８で示されるようにこれも空間内での移動が可能であり得る第２の電気接点１０６を含む。第１の間隔１１０は、２つの電気接点１０２と１０６とを離隔する。説明目的のため、この第１の間隔１１０を「開」位置にあると見なしてもよく、すなわち第１の電気接点１０２と第２の電気接点１０６との電気的連通１１２は無視することができる。この場合、前述のように、第１および第２の電気接点１０２と１０６は、基本的に空間内で別個に移動可能であり得る。適当な作動機構によって引き起こされるこのような移動の結果、この場合は要素１１４および１１６としてそれぞれ示される第１および第２の電気接点を、双方間の第２の間隔１１８が双方間の第１の間隔１１０よりも小さくなるように配置することができる。この第２の間隔は電気部品が「閉」位置にあるような間隔、すなわち第１の電気接点１０２と第２の電気接点１０６との間の電気的連通１１２が相当に多い間隔でよい。

本発明の例示的実施形態では、本発明は、電気接点の１つが固定され、他の電気接点は２つの電気接点間の電気的連通の程度を変更するように移動できるよう配置された２つの電気接点１０２と１０６を含む。２つの電気接点は「閉」位置にあってもよく、それは例えば、電気接点間の間隔が２つの電気接点間で所望の量の電気的連通を可能にする十分に小さい状態のことである。この状態は、２つの電気接点が機械的に接触することにより２つの接点間の電気的連通が伝導を介するものであることを必ずしも意味しない。むしろ、２つの電気接点間の直接的な機械的接触に関連する欠点があるため、小さいが有限の間隔が電気接点を離隔するので、電気接点間の電気接点抵抗が低い抵抗値にあることを意味する。他の極端な状態では、２つの電気接点は「開」位置にあることもあり、これは例えば間隔が電気接点を離隔し、この間隔が２つの電気接点間の電子移動の量を厳しく制限するに十分な間隔である状態を含むこともある。いずれかの特定の理論に制約されずに、閉位置にある場合のいずれか２つの電気接点間の電気接点抵抗は、電気接点の形状を含むがそれに限定されない幾つかの要因に依存する可能性が高い。本発明の一実施形態では、電気接点が開位置にある場合、接点間の抵抗は約１メガオーム（ＭΩ）よりも高い。

図２は、電気部品１００がスイッチ２００である場合の実施形態の断面図である。スイッチ２００は、下層の基板２０４に固定できる可動接続部材２０２を含む。可動接続部材２０２は、低仕事関数材料を含む電気接触面２０６を含んでもよい。図示した実施形態はさらに、第２の電気接触面２０８を有する第２の電気接点２１８を含む。第２の電気接触面２０８も低仕事関数材料を含んでもよい。図示した実施形態は、２つの電気接触面２０６と２０８との間の最小間隔を保つことに役立つ機械的部材２１０も含む。第１の間隔２１２は、第１の電気接触面２０６と第２の電気接触面２０８とを離隔する。一般性を損なうことなく、第１の間隔２１２の数値は、スイッチが「開」状態にあるような値である。

可動接続部材２０２の移動は、この分野でよく知られているように、静電式作動、圧電式作動を含むがそれらに限定されない様々な機構を介して引き起こすことができる。本発明の実施形態は、少なくとも２つの電気接触面２０６と２０８の間の間隔／角度を制御および／または保持するシステム（図示せず）を含む。このシステムは、他のサブシステムとともに、フィードバック回路、および振動遮断システムを含んでもよい電子回路およびコンピュータ制御システムなどの様々なサブシステムを含んでもよい。制御システムは、例えば原子間力顕微鏡または走査型トンネル顕微鏡またはナノポジショナの制御システムで使用されるようなフィードバック回路を組み込んでいてもよい。制御システムはさらに、少なくとも２つの電気接触面２０６および２０８の間の必要な空隙を保つことを補助する機械的サブシステムまたは部材を含んでもよい。一実施形態では、機械的サブシステムまたは部材は、双方の間で電気的連通が必要とされる少なくとも２つの電気接触面のいずれかの間の機械的「接触」を防止し、または最小限にする何らかの装置を含む。例えば、機械的サブシステムは、少なくとも２つの電気接触面の間の機械的接触を防止し、しかも少なくとも２つの電気接点間の電気トンネリングを介した電気的連通を可能にするように位置決めされた１つまたは複数の機械的ストッパ２１０の形態であってよい。（以下に記載する）別の限定されない例示的装置は、電気接点間の機械的接触の可能性は妨げられるが、双方間の電気的連通は保持されるような物理的寸法および／または形状を有するような可動接続部材２０２の形成を含んでもよい。

図３は、スイッチ２００が「閉」位置にある場合のスイッチの断面図３００である。機械的部材２１０は、２つの電気接触面２０６と２０８との最小間隔を保つのに役立つ。要素２１４は第１の電気接触面２０６と第２の電気接触面２０８との間の第２の間隔を示す。第２の間隔２１４の数値は第１の間隔２１２よりも小さく、一般性を損なうことなく、スイッチが「閉」状態にあるということができる。

図４はスイッチ４００の断面図である。スイッチ４００は下層の基板４０４に固定できる可動接続部材４０２を有しており、前述したスイッチ２００と同様である。可動接続部材４０２は、低仕事関数材料を含む第１の電気接触面４０６を含んでもよい。図示した実施形態はさらに、第２の電気接触面４０８を有する第２の電気接点４１８を含む。第２の電気接触面４０８も低仕事関数材料を含んでもよい。要素４１６は、第１の電気接触面４０６と第２の電気接触面４０８との間の間隔を示す。可動接続部材４０２および第２の電気接点４１８の物理的寸法および／または形状および／または配置により、ゼロではない空隙４１６を保つことができ、それによって電気接点４０６と４０８との間の機械的接触の可能性が最小限にされることは明らかである。しかし、双方間の電気的連通はトンネリング機構を介して保たれる。

図２に示すような本発明の一実施形態では、電気部品２００は開位置と閉位置との間で互いに移動可能な少なくとも２つの電気接触面２０６および２０８を含む。一実施形態では、本発明は、電気接点が閉位置にある場合に、それらの間隔を０ｎｍ〜約３０ｎｍの範囲内に制限するように構成される。別の実施形態では、本発明は、電気接点が閉位置にある場合に、それらの間隔を０ｎｍ〜約４ｎｍの範囲内に制限するように構成される。別の実施形態では、本発明は、電気接点が閉位置にある場合に、それらの間隔を０ｎｍ〜約１ｎｍの範囲内に制限するように構成される。

図５は本発明の実施形態による電気部品のアレイ５００の概略図である。アレイ５００は、パッケージ５０４内に収容可能な複数の電気部品５０２を含む。電気スイッチは別個のＭＥＭＳデバイスであってよい。アレイ５００はさらに、所定の機能またはアレイが実行することを課せられた任務を実現することを補助できる追加の電子回路５０８と連通するために、通信チャネル５０６などの他の部品を含んでもよい。

一実施形態では、低仕事関数の電気接点はセシウム、カリウム、ナトリウム、バリウム、カルシウム、窒化ガリウム、マグネシウム、アルミニウム、銀、シリコン、二酸化チタン、ダイアモンド状炭素（ＤＬＣ）、金、ルテニウム、またはそれらの組み合わせからなる材料を含んでもよい。このような材料の組み合わせの例として、シリコン＋セシウム＋酸素、バリウム＋ストロンチウム＋カルシウム＋酸素、銀＋セシウム＋酸素、エレクトライド、および金＋セシウムがある。本発明の例示的実施形態では、電気接点２０６および／または２０８の材料は、２０〜５０％のセシウムを含むセシウムと金の合金であってよい。一実施形態では、合金は約３０％のセシウムを含んでもよい。別の実施形態では、合金は約４０％のセシウムを含んでもよい。さらに別の実施形態では、合金は約５０％の％のセシウムを含んでもよい。

ある実施形態では、接点は電気接点の表面上に配置された層を含む（その際、電気接点は層の「基板」としての役割を果たす）。例えば薄膜層、またはわずか数原子の厚さの層または単原子層といったこのような層は、電気接点上に別々に堆積されてもよく、またはそれら自体を低仕事関数材料から製造してもよい。「数原子の厚さ」の層または単原子層を、表面の吸収を介して電気接点の表面上に堆積してもよい。このような層を構成する好適な材料の例には、酸化バリウム、窒化バリウム、二酸化チタン、ＤＬＣ、セシウムおよびそれらの組み合わせが含まれるが、それらに限定されない。このような基板を構成する好適な材料の例には、シリコン、プラチナ、金およびそれらの組み合わせが含まれるが、それらに限定されない。単原子層を構成する好適な限定的ではない材料の例はセシウムである。ある実施形態で使用するのに適するコーティング−基板の特定の例には、シリコン上に堆積された酸化バリウム、シリコン上に堆積された窒化バリウム、プラチナ上に堆積された二酸化チタン、シリコン上に堆積されたＤＬＣ、および金上に堆積されたセシウムが含まれるがそれらに限定されない。

ある実施形態では、部品１００はさらに、電気接点１０２、１０６の少なくとも１つの上に配置された絶縁層（図示せず）を備える。この絶縁層は、接点１０２、１０６が閉位置にある場合に接点間の空隙（第２の間隔１１８）の少なくとも一部を埋めるように構成されている。ある実施形態では、空隙のほぼ全体が絶縁層によって埋められ、一方、他の実施形態では、空隙は絶縁層によって一部だけが埋められる。絶縁層が存在することで、電気接点が物理的に移動する必要性が最小限になる可能性があるとともに、電気接点間が機械的に接触する可能性が最小限になる。これらの前述の特徴は両方とも、電気接点間の電気的連通のために機械的接触を必要とする従来のスイッチと比較して、これらのスイッチの改良された性能指数をもたらすであろう。一実施形態ではさらに、このような絶縁層によって、２つの電気接触面間に存在する空隙領域内にある電磁界の分布が修正されることになる。電界内の前記修正により、条件が整えば電気接点間のトンネリングの可能性を実際に高めることができる。

上記の層は、プラズマ強化化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、低圧化学気相成長法（ＬＰＣＶＤ）、スパッタリング、蒸着、および原子層堆積法などのいずれか好適な方法またはこれらの方法の組み合わせによって堆積してもよい。

ある実施形態では、層の厚さは最大約１００ｎｍである。あるいは、層自体がある程度の表面粗さを有している可能性もある。さらに、薄膜の厚さによって、少なくともある程度まで薄膜の表面粗さを決定することも可能である。

本発明の一実施形態では、電気部品１００は、開位置と閉位置との間を互いに移動可能な少なくとも２つの電気接点を含むＭＥＭＳスイッチであり、閉位置での電気接点間の機械的間隔２１２は、最大約３０ｎｍのゼロではない値である。少なくとも２つの電気接点２０６と２０８の相対移動による双方間の機械的間隔の変化が、少なくとも２つの電気接触面２０６と２０８との間の電気的連通の変化に影響を及ぼす要因の１つになる可能性もある。本発明の一実施形態では、少なくとも２つの電気接触面２０６、２０８の少なくとも１つは、仕事関数が約３．５電子ボルト（ｅＶ）未満である材料を含む。本発明の別の実施形態では、少なくとも２つの電気接点の少なくとも１つは、仕事関数が約２ｅＶ未満である材料を含む。本発明の一実施形態では、少なくとも２つの電気接点の少なくとも１つは、仕事関数が約１ｅＶ未満である材料を含む。

本発明の一実施形態では、ＭＥＭＳデバイスは密閉されたチャンバ内に配置される。ＭＥＭＳおよびＭＥＭＳアレイを収容するためにチャンバを密閉する技術は、この分野ではよく知られている。本発明の別の実施形態では、密閉されたチャンバ内部の環境は不活性ガスまたは真空である。前述のように、少なくとも２つの電気接点間の電気的連通の量と種類は、少なくとも２つの電気接点２０６と２０８とがその内部に配置される環境に依存することがある。例えば、電気部品がカンチレバーの形態の可動接続部材を有するＭＥＭＳである場合、カンチレバーを囲む周囲ガスを介してカンチレバーの移動を減衰させる力を提供してもよい。他の要因として、周囲ガスの組成、温度および圧力は、この点において重要な要因である。この意味で、環境は個々の電気接点の機械的特性、ひいては電気的連通特性を修正する役割も果たすことがある。

ＭＥＭＳスイッチは典型的には、様々な形状で形成できる懸垂形接続部材を含む。考え得る形状の１つは、懸垂形接続部材が、下層の基板のビーム両端の一方の実質的な近傍の位置に固定されるビームの形態である、「カンチレバー」の形状である。考え得る他の形状は、ビームを含むがそれに限定されない様々な形態である懸垂形接続部材が、下層の基板のビーム両端から実質的に離れた位置に固定される、「シーソー」形の形状である。前記のカンチレバーおよびシーソー形の形状はこの分野ではよく知られている（例えばＤｅ Ｌｏｓ Ｓａｎｔｏｓ等の米国特許第６，０４０，６１１号参照）。考え得るさらに他の形状は、ビームを含むがそれに限定されない様々な形態のものでよい懸垂形接続部材が、下層の基板の両方とも実質的にビームの両端側にある位置に固定される「ブリッジ」形の形状である。前記のブリッジ形の形状はこの分野ではよく知られている（例えばＭａ Ｑｉｎｇの欧州特許第１，５２９，３００ Ｂ１号を参照）。考え得るさらに他の形状は、懸垂形接続部材が、所定の状況で実質的に可撓性であり、周囲に沿った複数の、場合により連続したポイントで下層の基板に固定されるシートの形状である「薄膜」形の形状である。上記の考え得る形状を組み合わせることも可能である。前述の薄膜形状はこの分野ではよく知られている（例えばＭａ Ｑｉｎｇの米国特許第６，８８０，２３５ Ｂ２号を参照）。

例えば図５に示す実施形態のような本発明の一実施形態は、各々の電気スイッチが開位置と閉位置との間で互いに移動可能な少なくとも２つの電気接点を備え、電気接点のうちの少なくとも１つは仕事関数が約３．５ｅＶ未満である材料からなり、閉位置での電気接点間の間隔が０ｎｍ〜約３０ｎｍである、複数の電気スイッチ５０２を含む。

本発明の一実施形態では、部品１００は電力デバイスである。本発明の一実施形態では、電力デバイスはモータスタータである。モータスタータは、制御された態様でモータを非励磁状態から励磁状態に切り替えることができる装置である。異なる状況では異なる種類のモータスタータが有利であり、所定の状況で適切なモータスタータの選択は、その他の要因の他に必要な励磁手順の特性および利用できる制御回路に依存する。ＭＥＭＳの機械的寸法が縮小されているので、個々のＭＥＭＳによって信頼性をもって処理できる電流や電圧は、個々の従来の電気スイッチによって処理できる電流や電圧よりも少ない。この制約は、ＭＥＭＳ電気スイッチの１つまたは複数のアレイを含む電気スイッチを製造することによって回避し、少なくとも緩和することができる。このようなアレイは各々、本明細書に記載の種類の複数のＭＥＭＳ電気スイッチから構成することができる。その際、複数のＭＥＭＳ電気スイッチの配置は、電力デバイスの動作中に生ずる電流と電圧とを前記複数のＭＥＭＳ電気スイッチ間で好適に分散するように実施してもよい。

ＭＥＭＳの製造工程は、常に向上する開発が進んだ分野である。フォトリソグラフィ技術、ウエットエッチングおよび／またはドライエッチングを含むリソグラフィ技術、化学蒸着（ＣＶＤ）技術および／または機械蒸着技術などの薄膜形成技術、酸化および／またはエピタキシャル技術を介するような薄膜成長技術、イオン注入を介するようなドーピング技術などの標準的な技術は、ＭＥＭＳおよびＭＥＭＳアレイを製造するために容易に適応させることができるよく知られている工程である。これらの電気部品を製造する際に、フォトリソグラフィ技術などのリソグラフィ技術を使用してもよい。幾何的パターンをフォトマスクからフォトレジスト、すなわち感光性化学物質に転写するために電磁放射、すなわち光が使用される。その際、一連の化学処理により露光パターンをフォトレジストの下の材料に彫刻する。これらのステップは、最終的な部品が所望の形態で作製されるまで数回繰り返される。

以上、本発明を一部の実施形態に関してのみ詳細に説明してきたが、本発明の実施形態は開示の形態に限定されないのは明らかである。むしろ、本発明の本質および範疇において、本発明を修正し、本明細書に記載されていない様々な変形、変更、置換または同等の措置を加えることができる。さらに、本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明の態様として、上述の実施形態の一部を含むだけでも良いことを理解されたい。従って、本発明は以上の説明に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ定義されるものである。

１００ 電気部品
１０２ 第１の電気接点
１０４ 座標軸系
１０６ 第２の電気接点
１０８ 座標軸系
１１０ 第１の間隔
１１２ 電気的連通
１１４ 第１の電気接点
１１６ 第２の電気接点
１１８ 第２の距離
２００ スイッチ
２０２ 可動接続部材
２０４ 基板
２０６ 電気接触面
２０８ 第２の電気接触面
２１０ 機械的部材
２１２ 第１の間隔
２１８ 第２の電気接点
３００ スイッチ２００の断面図
４００ スイッチ
４０２ 可動接続部材
４０４ 基板
４０６ 第１の電気接触面
４０８ 第２の電気接触面
４１６ 空隙
４１８ 第２の電気接点
５００ 電気部品アレイ
５０２ 複数の電気部品
５０４ パッケージ
５０６ 通信チャネル
５０８ 電子回路

Claims (10)

1. 電気部品であって、
   開位置と閉位置との間で互いに移動可能な少なくとも２つの電気接点を備え、
   前記電気接点のうちの少なくとも１つは、仕事関数が約３．５ｅＶ未満である材料からなり、
   前記閉位置での前記電気接点間の間隔は、０ｎｍ〜約３０ｎｍである電気部品。
2. 前記電気接点のうちの少なくとも１つは、仕事関数が約２ｅＶ未満である材料からなる、請求項１に記載の電気部品。
3. 前記少なくとも１つの電気接点は、セシウム、カリウム、ナトリウム、バリウム、カルシウム、窒化ガリウム、マグネシウム、アルミニウム、銀、シリコン、二酸化チタン、ダイアモンド状炭素（ＤＬＣ）、金、ルテニウム、またはそれらの組み合わせからなる材料を含む、請求項１または２に記載の電気部品。
4. 前記少なくとも２つの電気接点のうちの少なくとも１つは、基板上に堆積された層を備える、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電気部品。
5. 前記少なくとも２つの電気接点のうちの少なくとも１つの上に堆積された絶縁層をさらに備え、前記絶縁層は前記閉位置での前記少なくとも２つの電気接点間に間隔を少なくとも部分的に埋める、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電気部品。
6. 前記開位置にある前記少なくとも２つの電気接点のいずれか２つの間の抵抗は約１ＭΩ以上である、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電気部品。
7. 前記電気接点の表面粗さは最大約２ｎｍである、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電気部品。
8. 前記電気部品がスイッチである、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の電気部品。
9. 前記スイッチがＭＥＭＳデバイスからなる、請求項９乃至９のいずれか１項に記載の電気部品。
10. 複数の電気スイッチを備えるデバイスであって、
    各電気スイッチは、開位置と閉位置との間で相互に移動可能な少なくとも２つの電気接点を備え、
    前記電気接点のうちの少なくとも１つは、仕事関数が約３．５ｅＶ未満の材料からなり、
    前記閉位置での前記電気接点の間の間隔は、０ｎｍ〜約３０ｎｍであるデバイス。

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