JP2003052163A - 原子分解能記憶装置の可動子の平面方向外への運動を防止するための離隔体の使用 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 固定子ウェハに対する超小型可動子の平面外
への運動を防止するマイクロアクチュエータを提供する
こと。 【解決手段】 特にセンサ及びデータ記憶装置で使用す
るための超小型アクチュエータ(10)。該アクチュエータ
(10)は、固定子ウェハ(20)及びそれに隣接して配置され
た超小型可動子(50)を含む。固定子ウェハ(20)と超小型
可動子(50)との間に電極(80,90)が配設される。該電極
は、所定の電圧に設定されて、固定子ウェハ(20)に対し
て超小型可動子(50)を位置決めする電界を生成する。固
定子ウェハ(20)と超小型可動子(50)との間にはまた、電
極(80,90)が互いに接触するのを防止する緩衝体(120)が
配設される。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は一般に、超小型(mic
ro-machined)アクチュエータに関し、及び超小型アクチ
ュエータを製造し動作させるための方法に関し、特に、
原子分解能記憶装置(atomic resolution storage)の可
動子の平面方向外への運動を防止するための離隔体の使
用に関する。 【０００２】 【従来の技術】図１は、関連技術による超小型アクチュ
エータ10を示している。図示のアクチュエータ10は、そ
の底部に固定子ウェハ20を有し、該固定子ウェハ20の上
方に回転子ウェハ40を有している。該回転子ウェハ40は
超小型可動子50と呼ばれる部分を含み、該超小型可動子
50は回転子ウェハ40の残りの部分から離隔されている。
超小型可動子50は、懸架手段60を介して回転子ウェハ40
の残りの部分に接続される。ウェハ20,40は結合材料70
によって互いに結合され、該結合材料70は、ウェハ20,4
0の両方を互いに保持し、それらウェハを所定の距離だ
け離隔させる。 【０００３】回転子ウェハ40に最も近い固定子ウェハ20
の表面上には一連の固定子電極80が存在する。固定子ウ
ェハ20に最も近い超小型可動子50の表面には一連のアク
チュエータ電極90が形成されている。図示の明瞭化のた
め、図１には５つの固定子電極80と４つのアクチュエー
タ電極90しか示さないが、関連技術による一般的な超小
型アクチュエータ10は、図示するよりも多くの電極80,9
0を含むものとなる。 【０００４】固定子ウェハ20は、アクチュエータ10の電
子回路を一般に含み、以下で説明するように超小型可動
子50を移動させるモータの半分を構成するものとなる。
固定子ウェハ20は一般に微細加工が可能な材料(例えば
シリコン)から形成される。 【０００５】回転子ウェハ40は一般に約100μm程度の厚
さを有する。回転子ウェハもまた、微細加工が可能でな
ければならず、このためシリコンから形成されることが
多い。上記のように、超小型可動子50は一般に回転子ウ
ェハ40の一部からなり、回転子ウェハ40の残りの部分か
ら離隔されるが、懸架手段60によって取り付けられた状
態になっている。それゆえ、超小型可動子50も約100μm
程度の厚さを有し、微細加工可能な材料から形成され
る。 【０００６】懸架手段60は、超小型可動子50の平面内で
の移動を可能とすると共に該平面外の移動を制限するよ
う設計される。換言すれば、懸架手段60は、超小型可動
子50が固定子ウェハ20に対して水平方向に移動すること
を可能にし、及び該超小型可動子50が垂直方向に移動す
るのを制限するよう設計される。当業界で様々な懸架手
段60が知られており、それらは種々の程度の平面内の従
動性と平面外の剛性とを有するよう設計される。しか
し、これらの懸架手段60は、平面外の動きを完全に防ぐ
ことはできない。 【０００７】結合材料70は一般には金属製の薄膜材料で
ある。使用される結合材料70の種類は幾つかの因子によ
って決まる。一般に、結合材料70は、種々のウェハ20,4
0間に導電性を提供するよう選択される。結合材料70は
また、超小型可動子50が内部に存在するチャンバを密閉
する能力によっても選択される。 【０００８】固定子電極80は、超小型可動子50に最も近
い固定子ウェハ20の表面上に形成された、相互に噛合す
るよう配置された二組の金属線の一方からなる。またア
クチュエータ電極90は、超小型可動子50上に形成された
他方の一組の金属線からなる。電極80,90を構成する各
金属線は、幅が約１〜２μmであり、１〜２mmまでの長
さを有することができる。任意の２つの電極80,90間に
は一般に１〜２μmの隙間が存在する。 【０００９】アクチュエータ電極90は一般に、超小型可
動子50のかなりの部分を覆い、超小型可動子自体は１〜
２mm²の全面積を有することができる。電極80,90は、半
導体に概ね適合する様々な金属から形成することができ
る。かかる金属として、モリブデン、アルミニウム、及
びチタンが挙げられる（但し、これらに限定されるもの
ではない）。 【００１０】図２は、図１に規定する平面Ａ−Ａに沿っ
た超小型アクチュエータ10の断面図を示している。動作
時に、アクチュエータ10は、固定子ウェハ20に対して超
小型可動子50を移動させることにより動作する。固定子
ウェハ20に対して超小型可動子50を移動させるために、
選択された固定子電極80及びアクチュエータ電極90の電
圧が特定のパターンで増減されて該電極80,90から生じ
る電界が変更される。 【００１１】例えば、アクチュエータ電極90の電圧は、
第１の電極90が40Ｖ等の動作電圧になり、該第１の電極
90に隣接する電極90が接地され、その次の電極90が40Ｖ
になり、及び残りの電極の電圧が同様のパターンにな
る、といった所定のパターンに設定することが可能であ
る。一方、固定子電極80の電圧は、全く交番しないパタ
ーンに設定することが可能である。例えば、第１の固定
子電極80を高電圧に設定し、該第１の固定子電極80にす
ぐ隣接する第２の固定子電極80を低電圧に設定し、該第
２の固定子電極80に隣接する第３の固定子電極80を高電
圧に設定し、該第３の固定子電極80に隣接する第４の固
定子電極80を低電圧に設定し、それに隣接する第５及び
第６の固定子電極80を高電圧に設定し、それに隣接する
第７の固定子電極80を低電圧に設定することが可能であ
る。次いで、該７つの固定子電極80の電圧パターンをア
クチュエータ10内の全ての固定子電極80に対して繰り返
すことが可能である。 【００１２】超小型可動子50を移動させるために、固定
子電極80のうちの１つ又は２つ以上の電極の電圧を増減
させることにより、該固定子電極80の電圧のパターンが
変更される。かかる電圧変化により、固定子電極80とア
クチュエータ電極90との間に存在する電界の分布が変更
される。このため、固定子電極80とアクチュエータ電極
90との間の引力及び斥力もまた変更され、超小型可動子
50の位置は、これらの力が平衡状態になるまで変化す
る。 【００１３】換言すれば、固定子電極80の電圧が変更さ
れた際に、新たな低エネルギーポテンシャル領域が形成
され、該領域において、電界により生成される力が懸架
手段60により超小型可動子50に加えられる機械的な力と
平衡状態になる。このため、固定子電極80の電圧が新た
なパターンへと変更されると、超小型可動子50がそれ自
体の位置を変更する。 【００１４】電界の望ましくない副次的な作用は、固定
子電極80とアクチュエータ電極90との間に引力における
平面方向以外の成分である。かかる引力成分は、超小型
可動子50を固定子ウェハ20の方に引っぱり、該引力が過
度に大きい場合には、アクチュエータ電極90及び固定子
電極80が互いに電気的に「短絡して」溶解するほど接近
し接触することが可能となってしまう。かかる事象は、
アクチュエータ10の破壊的な故障を生じさせるものとな
る。 【００１５】懸架手段60は、超小型可動子50の平面外の
運動を制限する十分な剛性を有するよう設計されるが、
超小型可動子50に必要とされる平面内の可動性と平面外
の運動の制限とを同時に提供するよう懸架手段60を設計
することは困難である。このため、これまでは、超小型
アクチュエータ10は、破壊的な故障を受け易いものであ
った。 【００１６】外部からの衝撃がシステムに加わった場合
にも、固定子電極80及びアクチュエータ電極90の溶解が
生じ得る。例えば、超小型アクチュエータ10を含むマイ
クロチップが軽打されたり揺さぶられた場合に、平面方
向以外の方向に、懸架手段60の剛性を十分に上回ると共
に固定子電極80とアクチュエータ電極90とを互いに溶解
させるだけの十分な付加的な物理的力が、超小型可動子
50及び固定子ウェハ20の構造に伝達される可能性があ
る。 【００１７】 【発明が解決しようとする課題】このため、本発明の目
的は、固定子ウェハに対する超小型可動子の平面外への
運動を防止するマイクロアクチュエータを提供すること
にある。 【００１８】本発明の別の目的は、例えば、外部からの
力によって素子に破壊的な故障を生じさせることなく軽
打又は衝撃を加えることが可能なマイクロアクチュエー
タを提供することにある。 【００１９】 【課題を解決するための手段】一実施形態によれば、ア
クチュエータは、固定子ウェハと、該固定子ウェハの第
１の表面から突出する第１の固定子電極と、該固定子ウ
ェハの前記第１の表面の上方に位置する超小型可動子
と、該超小型可動子の第１の表面から突出する第１のア
クチュエータ電極と、前記固定子ウェハと前記超小型可
動子との間に配置された第１の緩衝体と備えており、該
超小型可動子の前記第１の表面と前記固定子ウェハの前
記第１の表面とが互いに対面するものとなる。 【００２０】別の実施形態によれば、超小型可動子の動
作方法は、固定子ウェハ及び該固定子ウェハの上方に位
置する超小型可動子を配設し、該固定子ウェハ上に固定
子電極を形成し及び前記超小型可動子上にアクチュエー
タ電極を形成し、選択された前記固定子電極の電圧を時
間と共に変更することにより前記アクチュエータ電極に
対して前記超小型可動子を移動させて、前記固定子電極
と前記アクチュエータ電極との間の物理的な接触を防止
する、という各ステップを含むものとなる。 【００２１】更に別の実施形態によれば、アクチュエー
タの製造方法は、固定子であってその第１の表面上に固
定子電極を有する固定子を配設し、超小型可動子であっ
てその第１の表面上にアクチュエータ電極を有する超小
型可動子を配設し、前記固定子の前記第１の表面と対面
させて前記超小型可動子の前記第１の表面を配置し、前
記固定子と前記超小型可動子との間に緩衝体を配設す
る、という各ステップを含むものとなる。 【００２２】 【発明の実施の形態】図３は、本発明の一実施形態を示
しており、この場合には、超小型可動子50に最も近い固
定子ウェハ20の表面は、固定子電極80だけでなく緩衝体
120も有している。該緩衝体120は、１つの固定子電極80
のみに隣接して配置されているが、この構成は本発明を
制限するものではない。実際に、図４に示すように、固
定子電極80のうちの任意の２つの電極間に緩衝体120を
容易に配置することが可能である。 【００２３】図５は、２つの緩衝体を有する本発明の別
の実施形態を示しており、その第１の緩衝体120は、超
小型可動子50に最も近い固定子ウェハ20の表面上に配置
され、第２の緩衝体121は、固定子ウェハ20に最も近い
超小型可動子50の表面上に配置されている。図５に示す
緩衝体120,121は両方とも電極80,90の外側に配置されて
いるが、それら緩衝体の一方又は両方を図４に示すよう
に２つの電極80,90間に配置することも可能である。 【００２４】図６Ａ及び図６Ｂは本発明の更に別の実施
形態を示しており、この場合には、３つ及び４つの緩衝
体120が超小型アクチュエータ10内に存在する。図６Ａ
では、３つの緩衝体120が三角形に配列される。本発明
の特定の実施形態によれば、３つの緩衝体120の各々
は、固定子ウェハ20上又は超小型可動子50上の何れかに
配置することが可能である。例えば、第１及び第２の緩
衝体を固定子ウェハ20上に配置し、第３の緩衝体を超小
型可動子50上に配置することが可能である。また、各緩
衝体120は、１つの電極80,90に隣接して配置すること、
又は２つの電極80,90間に配置することが可能である。 【００２５】図６Ｂでは、４つの緩衝体120が正方形又
は長方形に配置され、各緩衝体120は、固定子ウェハ20
上、又は超小型可動子50上の何れかに存在する。各緩衝
体120は、１つの電極80,90に隣接して配置すること、又
は２つの電極80,90間に配置することが可能である。 【００２６】図６Ａ及び図６Ｂに示される構成に加え
て、５つ以上の緩衝体120を固定子ウェハ20と超小型可
動子50との間に配置することが可能である。緩衝体120
が幾つ存在するかにかかわらず、緩衝体120の幾何学的
な配置に関して制限は加えられない。例えば、図６Ａ
は、緩衝体120を三角形状の配置で示しているが、３つ
の緩衝体120は、直線状に、ランダムに、又は他の幾何
学形状に配置することが可能である。これと同じこと
が、図６Ｂに示す４つの緩衝体120の場合や一層多数の
緩衝体からなる本発明の実施形態の場合にも当てはま
る。 【００２７】図３〜図６Ｂに示す実施形態によれば、各
緩衝体120が取り付けられた表面から該緩衝体120が突出
する距離は、同表面から電極80,90が突出する距離より
も大きい。緩衝体120及び電極80,90がその各表面からど
れだけ突出するかに関する特定の制約は存在しないが、
本発明の一実施形態では、緩衝体120の高さの75％だけ
突出するように電極80,90が配設される。本発明の別の
実施形態では、同一表面に取り付けられる緩衝体120の
高さの90％、50％、10％、5％、及び1％だけ同表面から
突出する電極80,90を有する。 【００２８】緩衝体120は、多くの異なる材料から形成
することが可能であり、その形状が制限されないもので
ある。このため、緩衝体120を円形の突起、正方形の突
起、又は他の幾何学形状の突起とすることができる。ま
た上記説明の緩衝体120は、１つの電極80,90に隣接し、
又は２つの電極80,90間に配置されたものであるが、本
発明の一実施形態は、１つ又は２つ以上の電極80,90の
少なくとも一部に重なる緩衝体123を含む。かかる構成
が図７Ａ及び図７Ｂに示されており、図７Ａはアクチュ
エータ10の断面図を示し、図７Ｂは固定子電極80を含む
固定子ウェハ20の表面の斜視図を示している。緩衝体12
2は、２つの固定子電極80に部分的に重なるものとして
図７Ｂに示される。 【００２９】単純化のため、上記緩衝体は、該緩衝体が
突出する表面と同じ材料から形成されることが好まし
い。しかし、これは本発明を制限するものでは決してな
く、別の一実施形態による緩衝体は、該緩衝体が突出す
ることになる表面の材料とは異なる材料から形成するこ
とができる。例えば、金属、絶縁体、誘電体、半導体、
又は重合体からなる緩衝体を半導体固定子ウェハ20の表
面上に形成することが可能である。本発明の一実施形態
によれば、電気的に接地された金属製の緩衝体が使用さ
れる。 【００３０】緩衝体120の全体的な寸法は典型的には概
ねμm単位の大きさであるが、かかる寸法は本発明を制
限するものでは決してない。実際に、電極80,90をナノ
ワイヤ(nanowire)から作製すれば、緩衝体120をnm単位
の寸法を有することができる。 【００３１】上述のように、緩衝体120を超小型可動子5
0と固定子ウェハ20との間に配置しない場合には、アク
チュエータ電極90と固定子電極80とが溶解し得るが、実
際の溶解態様については記載しなかった。完全に説明す
ると、該溶解は、電極80,90が互いに接近して接触する
状態になった際に、電極80,90間に電流経路が形成され
て、電極80,90が共に溶解する、といった具合に生じ
る。 【００３２】上述のアクチュエータは、多くのタイプの
素子に組み込むことが可能である。例えば、一表面上に
懸架型のプラットフォームを有するあらゆるマイクロマ
シン又はナノマシンが本発明の範囲内となる。これは、
あらゆる種類のセンサやデータ記憶素子、及びその他の
素子であってマイクロアクチュエータを必要とするもの
を含む（但し、これらに限定されるものではない）。 【００３３】超小型可動子50と固定子ウェハ20とを離隔
させる距離は概ね1〜10μm程度である。しかし、これは
本発明を制限するものでは決してなく、電極80,90が互
いに接触して溶解することなく超小型可動子50を移動さ
せるよう該電極80,90が互いに十分な力を及ぼし合うこ
とができる任意のアクチュエータが、本発明の範囲内の
ものとなる。 【００３４】本発明の範囲内にあるアクチュエータのう
ちの幾つかを製造する１つの方法は、固定子ウェハ20の
第１の表面上に固定子電極80を形成するステップを含
む。次いで、超小型可動子50が、該固定子ウェハ20の該
第１の表面に隣接して形成され配置される。固定子ウェ
ハに最も近い超小型可動子50の表面上にアクチュエータ
電極90が形成される。固定子ウェハ20の第１の表面又は
超小型可動子50の表面の何れかに少なくとも１つの緩衝
体120が形成される。該緩衝体120は、選択的なエッチン
グ、堆積、又はその他の表面からの突起物を形成する方
法によって形成することが可能である。 【００３５】上記の詳細な説明は、本発明の典型的な実
施形態を理解するために提供したものであって不必要な
制限が存在しないものであることが理解されよう。これ
は、その変形例が、特許請求の範囲及びその均等物から
逸脱することなく当業者にとって自明のものであるから
である。 【００３６】以下においては、本発明の種々の構成要件
の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。 １．アクチュエータ(10)であって、固定子ウェハ(20)
と、該固定子ウェハ(20)の第１の表面から突出する第１
の固定子電極(80)と、該固定子ウェハ(20)の前記第１の
表面の上方に位置する超小型可動子(50)と、該超小型可
動子(50)の第１の表面から突出する第１のアクチュエー
タ電極(90)であって、該超小型可動子(50)の該第１の表
面及び前記固定子ウェハ(20)の前記第１の表面が互いに
対面している、第１のアクチュエータ電極(90)と、前記
固定子ウェハ(20)と前記超小型可動子(50)との間に配置
された第１の緩衝体(120)とを備えているアクチュエー
タ(10)。 ２．前記第１の緩衝体(120)が前記固定子ウェハ(20)の
前記第１の表面から突出する、前項１に記載のアクチュ
エータ(10)。 ３．前記固定子ウェハ(20)の前記第１の表面上に第２の
固定子電極(80)を更に備えており、前記第１の緩衝体(1
20)が前記第１の固定子電極(80)と前記第２の固定子電
極(80)との間に配置される、前項２に記載のアクチュエ
ータ(10)。 ４．前記第１の緩衝体(120)が前記超小型可動子(50)の
前記第１の表面から突出する、前項１に記載のアクチュ
エータ(10)。 ５．前記固定子ウェハ(20)と前記超小型可動子(50)との
間に配置された第２の緩衝体(121)を更に備えている、
前項１に記載のアクチュエータ(10)。 ６．前記固定子ウェハ(20)と前記超小型可動子(50)との
間に複数の緩衝体(120)を更に備えている、前項１に記
載のアクチュエータ(10)。 ７．アクチュエータ(10)を動作させる方法であって、固
定子ウェハ(20)と、該固定子ウェハ(20)の上方に位置す
る超小型可動子(50)とを配設し、前記固定子ウェハ(20)
上に固定子電極(80)を形成し、及び前記超小型可動子(5
0)上にアクチュエータ電極(90)を形成し、選択された前
記固定子電極(80)の電圧を時間と共に変更することによ
り前記アクチュエータ電極(90)に対して前記超小型可動
子(50)を移動させ、前記固定子電極(80)と前記アクチュ
エータ電極(90)との間の物理的な接触を防止する、とい
う各ステップを含む、アクチュエータ(10)を動作させる
方法。 ８．接触を防止する前記ステップが、前記固定子ウェハ
(20)と前記超小型可動子(50)との間に緩衝体(120)を配
設するステップを含む、前項７に記載の方法。 ９．アクチュエータ(10)の製造方法であって、固定子ウ
ェハ(20)であって、その第１の表面上に固定子電極(80)
を有している、固定子ウェハ(20)を配設し、超小型可動
子(50)であって、その第１の表面上にアクチュエータ電
極(90)を有している、超小型可動子(50)を配設し、前記
固定子ウェハ(20)の前記第１の表面に対面させて前記超
小型可動子(50)の前記第１の表面を配置し、前記固定子
ウェハ(20)と前記超小型可動子(50)との間に緩衝体(12
0)を配設する、という各ステップを含む、アクチュエー
タ(10)の製造方法。 10．前記緩衝体(120)を配設する前記ステップが、前記
固定子ウェハ(20)の前記第１の表面に前記緩衝体(120)
を形成するステップを含む、前項９に記載の方法。

【図面の簡単な説明】 【図１】関連技術による超小型アクチュエータを示す斜
視図である。 【図２】図１に示す超小型アクチュエータのＡ−Ａ断面
図である。 【図３】一組の固定子電極の隣に緩衝体が配置されてい
る、超小型アクチュエータの断面図である。 【図４】一組の固定子電極間に緩衝体が配置されてい
る、超小型アクチュエータの断面図である。 【図５】一組の固定子電極の隣に第１の緩衝体が配置さ
れ一組のアクチュエータ電極の隣に第２の緩衝体が配置
されている超小型アクチュエータを示す断面図である。 【図６Ａ】３つの緩衝体を含む超小型アクチュエータを
上方から見た斜視図である。 【図６Ｂ】４つの緩衝体を含む超小型アクチュエータを
上方から見た斜視図である。 【図７Ａ】１つ又は２つ以上の電極と重複する緩衝体を
示す断面図である。 【図７Ｂ】１つ又は２つ以上の電極と重複する緩衝体を
上方から見た斜視図である。 【符号の説明】 10 超小型アクチュエータ 20 固定子ウェハ 50 超小型可動子 80 固定子電極 90 アクチュエータ電極 120,121 緩衝体

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H633 BB13 GG02 GG03 GG16 GG20 GG30 JA02 JA04 JB02 JB04 5H641 BB13 GG02 GG03 GG20 GG23 JA05 JA10 JA14 JA19 JB06 JB10

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】アクチュエータ(10)であって、 固定子ウェハ(20)と、 該固定子ウェハ(20)の第１の表面から突出する第１の固
   定子電極(80)と、 該固定子ウェハ(20)の前記第１の表面の上方に位置する
   超小型可動子(50)と、 該超小型可動子(50)の第１の表面から突出する第１のア
   クチュエータ電極(90)であって、該超小型可動子(50)の
   該第１の表面及び前記固定子ウェハ(20)の前記第１の表
   面が互いに対面している、第１のアクチュエータ電極(9
   0)と、 前記固定子ウェハ(20)と前記超小型可動子(50)との間に
   配置された第１の緩衝体(120)とを備えているアクチュ
   エータ(10)。