JP2004160572A - 保持機構を備えた微小アクチュエータ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】電源を切っても稼動部を稼動した位置に保持する機構を備えた微小アクチュエータを提供する。
【解決手段】ソース端子２、ドレイン端子３及びチャネル４を有するトランジスタ１の表面上に設置された絶縁膜５，７を備えた少なくともひとつの帯電体６と、この帯電体６から所定の距離をおいた位置１に配置され、トランジスタ１と絶縁された稼動部８とを備え、この稼動部８が、位置１から帯電体６に接触又は近接する位置２に移動し、チャネル４に電流を流し、ドレイン３と稼動部６に電圧を印加して、チャネル４からのトンネル電流によって帯電体６を帯電させ、この帯電によって帯電体６と稼動部８の間に発生する静電引力によって、稼動部８が位置２に保持する。
【選択図】 図１
【解決手段】ソース端子２、ドレイン端子３及びチャネル４を有するトランジスタ１の表面上に設置された絶縁膜５，７を備えた少なくともひとつの帯電体６と、この帯電体６から所定の距離をおいた位置１に配置され、トランジスタ１と絶縁された稼動部８とを備え、この稼動部８が、位置１から帯電体６に接触又は近接する位置２に移動し、チャネル４に電流を流し、ドレイン３と稼動部６に電圧を印加して、チャネル４からのトンネル電流によって帯電体６を帯電させ、この帯電によって帯電体６と稼動部８の間に発生する静電引力によって、稼動部８が位置２に保持する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
本発明は、半導体基板上に設けられ、微小な機械的運動を行なうアクチュエータであって、変動等の問題がなく稼動部を所定の位置に保持することが可能な微小アクチュエータ、及び、その製造方法に関する。
【従来の技術】
【０００３】
半導体微細加工技術を用いて、半導体基板上に、静電力、電磁力、熱応力等によって、微小な動きを実現するアクチュエータを設ける試みが、様々な方法で行われている。また、一部では、このアクチュエータを用いた加速度センサや光スイッチ等が実用化されている。
【０００４】
代表的なアクチュエータの例としては、コムドライブアクチュエータ（ＵＳパテント５０２５３４６）が挙げられる。このコムドライブアクチュエータは、櫛場状に電極を配置し、対向する櫛場の片方を固定電極、もう一方を稼動電極としており、稼動電極はバネにより支えられている。この櫛場電極に電圧を印加すると、静電引力によって稼動櫛場電極がバネとの釣り合いの位置まで移動する機構になっている。このコムドライブアクチュエータを光スイッチに適用した例が、報告されている。
【０００５】
また、櫛場状ではないが、同じ静電力を利用した光スイッチの例も発表されている。バネによって支えられた上側電極と、下側固定電極間に電圧を印加することで静電力を発生させ、上側電極を上下運動させる。この上側電極側に稼動部を備え、この上下運動によって、稼動部を、光ビームを反射する位置としない位置に動かして、光の光路を入れ替える光スイッチが発表されている。
【０００６】
また、スクラッチドライブアクチュエータと呼ばれる静電力アクチュエータも、報告されている。このスクラッチドライブアクチュエータは、シリコンウエハ上に絶縁層として窒化シリコン膜を形成し、その上にブッシングと称する突起が付いたプレートが配置されている。このプレートとシリコンウエハの間に電圧を印加すると、プレートが静電引力でシリコンウエハ側に引き寄せられ、このプレートに付けられたブッシングが斜めに窒化シリコン膜に付着する。電圧を取り除くと、プレートが窒化シリコン膜から剥がされるが、このときブッシングが窒化シリコン膜を引っかくようにして、その摩擦力でプレート自体が前進する。すなわち、絶縁膜を引っかき（スクラッチ）ながら動くのでスクラッチアクチュエータと呼ばれている。
【０００７】
これらの他にも、熱応力を利用したものや、圧電素子膜等を利用したアクチュエータ等の様々な形態が報告されている。
また、電磁力アクチュエータとしては、例えば稼動部にコイルを形成して、これに電流を流すことで磁場を発生させ、外部に置いた永久磁石との電磁力によって稼動部を動かすタイプのものが報告されている。
【０００８】
【特許文献１】
ＵＳパテント ５０２５３４６
【非特許文献１】
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖｏｌ．１７， Ｎｏ．１， Ｊａｎｕａｒｙ， ｐ．２−６
【非特許文献２】
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ， Ｖｏｌ．２， Ｎｏ．３ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ １９９３ ｐ１０６−１１９
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上述の従来型の微小アクチュエータは、以下の問題点を有する。
第１番目の問題点は、振動等によって稼動部を定位置に固定することが困難な問題である。
【００１０】
例えば、上述のコムドライブアクチュエータでは、対向する櫛場間に電圧を印加すると、その電圧による静電力とバネとの釣り合い位置まで動くが、この位置は、電圧を一定に保っていても、ある振動が加わると変動してしまう。この変動量は、バネの強さと稼動部の質量で決定される共振周波数から計算される。バネが弱いと共振周波数が小さくなり、わずかな振動が加わった場合でも、数μｍ〜数十μｍの変動が発生する。微小アクチュエータは数十μｍの移動量を達成するように設計される場合が多く、設計の移動量に対し、振動による変動が数十パーセントにも及ぶことになり、実用上大きな問題となる。
【００１１】
一方、バネを強くすると共振周波数が高くなり、振動による変動量は小さくなるが、この場合、所定の移動量を達成するには、大きな電力を要することになる。具体的には、静電力の場合では、印加電圧を数百ボルトにしなければならない場合も出てくる。微小な空間に高電圧を印加すると、放電によりアクチュエータが破壊される危険性が高くなる。
【００１２】
例えば、空気の場合、放電開始電圧は３００ボルト程度とされており、放電の危険性の無い状態で、強いバネに対応する移動量を確保することは困難である。従って、コムドライブアクチュエータにおいて、いずれの方法を採っても、変動をなくすことは非常に困難である。
【００１３】
この振動による変動は、静電力に限らず、電磁力等の他の駆動力を用いても同様な問題が発生する。すなわち、駆動力とバネとの釣り合いで位置を保持するタイプのアクチュエータの場合には、避けられない問題である。
【００１４】
また、上述のスクラッチドライブアクチュエータの場合には、この振動の問題は避けられるが、その名の通り、絶縁膜を引っかくので、何度も動かすと絶縁膜が磨耗して壊れる問題が発生するという、別の大きな問題を有する。
【００１５】
第２番目の問題点は、稼動部を所定の移動量に移動させた後、その位置に停止させておくためには、電圧や電流を加え続けなければならないことである。従って、電源を切ると、その位置に停止させておくことはできず、元の位置へ戻ってしまうという問題が発生する。
【００１６】
そこで、微小アクチュエータを所定の量だけ移動後に、その位置で停止させるために、例えば、機械的に押さえ込む方法が考えられる。しかし、この場合、機械的に押さえ込む更なるアクチュエータが必要となり、このアクチュエータも電源を切れば押さえ込む機能は失われるので、稼動部は元の位置へ戻ってしまう。従って、いずれにしても、電源に依存しない固定機構としては機能しない。
【００１７】
また、静電力により稼動部を固定部に静電吸着させることも考えられるが、この方法も、電源が切られれば静電吸着できなくなり、電源に依存しない固定機構にはならない。
【００１８】
従って、いずれの方法によっても、電源を切ると、稼働部をその位置を保持することはできず、元の位置に戻ってしまう問題を有する。従って、位置を保持するために常に電源を入れておく必要があり、多数の微小アクチュエータを使用する場合には、多くの電力を消費する問題が発生する。例えば、ＤＷＤＭ通信システムにおいて、各波長ごとにひとつの微小アクチュエータを用いたとすると、１００以上の微小アクチュエータが必要となり、位置を保持するために消費する電力は莫大なものになる。
【００１９】
また、もし停電等によって電源が落ちた場合、微小アクチュエータはその位置を保持できなくなり、安全性の面を考えても大きな問題となる。また、それを防ぐためには、バックアップ電源等を備えることが必要ともなり、コスト的にも問題となる。
【００２０】
従って、この発明の目的は、上述した従来の問題点を解決して、稼動部が所定の位置に変動等なく固定され、更に、電源を切っても、その位置に保持される微小アクチュエータを提供することにある。
【課題を解決する手段】
本発明者は、上述した従来の問題点を解決すべく、鋭意研究を重ねた。その結果、以下に示すような保持機構を備える微小アクチュエータ、及び、その製造方法を知見した。
【００２１】
本発明の保持機構を備える微小アクチュエータでは、トランジスタの上に、半導体微細加工によって、トンネル電流が流れる程度の厚さの絶縁膜を介してポリシリコン等からなる帯電体を固定する。この帯電体のトランジスタ側の半体側の面も、トンネル電流は流さないが静電容量を小さくしない程度の厚さの絶縁膜で覆う。更に、この帯電体から離れた位置に、稼働部を配置する。
【００２２】
ここで、トンネル電流とは、高いエネルギを得た電子（Ｈｏｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ）が、所定の薄い膜厚を有する絶縁膜を透過するトンネル効果によって流れる電流のことである。
【００２３】
稼働部を静電引力等の方法で帯電体（実際には覆っている絶縁層）に接触又は近接する位置まで動かす。次に、トランジスタのチャネル部分からのトンネル電流によって、この帯電体に電荷を蓄積させる。仮に、電源を切っても、この電荷は蓄積されたままなので、この電荷によって帯電体と稼動部の間で発生した静電引力によって、稼動部の位置は保持され続ける。
また、本発明の微小アクチュエータは、静電引力等とバネ等との力の釣り合いで、位置を保持する機構ではないので、振動等による位置の変動等の問題も発生しない。
【００２４】
この発明の保持機構を備えた微小アクチュエータの第１の態様は、表層部に、ソース端子と、ドレイン端子と、チャネルと、を備えたトランジスタと、
前記チャネルを含む前記トランジスタの表面に絶縁膜１を介して固定され、前記絶縁膜１に接する面の反対側の面に、前記絶縁層１と異なる膜厚を有する絶縁膜２を備えた少なくともひとつの帯電体と
前記帯電体から所定の距離をおいた位置１に配置され、前記トランジスタと絶縁された稼動部と、
を備え、
前記稼動部が、前記位置１から前記絶縁膜２に接触する位置２に移動し、
前記チャネルに電流を流し、前記ドレインと前記稼動部に電圧を印加して、前記チャネルからのトンネル電流によって前記帯電体を帯電させ、
該帯電によって前記帯電体と前記稼動部の間に発生する静電引力によって、前記稼動部が前記位置２に保持される保持機構を備えた微小アクチュエータである。
【００２５】
この発明の保持機構を備えた微小アクチュエータの第２の態様は、前記トランジスタが、ＮＰＮ型トランジスタである保持機構を備えた微小アクチュエータである。
【００２６】
この発明の保持機構を備えた微小アクチュエータの第３の態様は、前記トランジスタと前記稼動部との間に発生する静電引力によって、前記稼動部が前記位置２へ移動する保持機構を備えた微小アクチュエータである。
【００２７】
この発明の保持機構を備えた微小アクチュエータの第４の態様は、前記帯電体に帯電させる電荷の量を制御して、前記稼動部の移動量を制御する保持機構を備えた微小アクチュエータである。
【００２８】
この発明の保持機構を備えた微小アクチュエータの第５の態様は、前記稼動部が、前記帯電体と前記稼動部の間の静電引力が除去されたときに、前記稼動部を前記位置２から前記位置１へ戻すバネを備えた保持機構を備えた微小アクチュエータである。
【００２９】
この発明の保持機構を備えた微小アクチュエータの第６の態様は、前記絶縁膜１の膜厚が１０から１００ｎｍであり、前記絶縁膜２の厚さが０．１から１μｍである保持機構を備えた微小アクチュエータである。
【００３０】
この発明の保持機構を備えた微小アクチュエータの第７の態様は、前記帯電体の上に更に制御用誘電体が設けられた保持機構を備えた微小アクチュエータである。
【００３１】
この発明の保持機構を備えた微小アクチュエータの製造方法の第１の態様は、シリコン基板に、トランジスタとなるパターンを設けるフォトレジストを行った後、イオン打ち込みによってトランジスタを製造する工程１と、
前記トランジスタに、所定のエリアを開口とするフォトレジストを行った後、ＣＶＤ法によってＳｉＯ２膜を生成し、絶縁膜１を設ける工程２と、
前記トランジスタに、前記絶縁膜１よりも小さいエリアを開口とするフォトレジストを行った後、ＣＶＤ法によってポリシリコン膜を生成し、帯電体を設ける工程３と、
前記トランジスタに、前記絶縁膜１と同じエリアを開口とするフォトレジストを行った後、ＣＶＤ法によってＳｉＯ２膜を生成し、絶縁膜２を設ける工程４と、ＳＯＩ板に、板とバネのパターンを設けるフォトレジストを行った後、前記ＳＯＩ板の絶縁層に達するまでエッチングを行って、前記板と前記バネを形成する工程５と、
前記ＳＯＩ板の反対側から、前記絶縁層に達するまでエッチングを行い、次に前記絶縁層を溶解して柱部分を形成し、構造物を製造する工程６と、
工程１から４によって製造された前記トランジスタと、工程５と６によって製造された前記構造物を融着させる工程７と、
を備える保持機構を備えた微小アクチュエータの製造方法である。
【発明の実施の形態】
【００３２】
本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
まず、本発明の保持機構を備える微小アクチュエータの全般を説明する。
【００３３】
上述したように従来の微小アクチュエータにおいては、コムドライブアクチュエータに代表されるような、静電力等とバネとの力の釣り合いで稼働部を移動し、保持させるタイプや、スクラッチドライブアクチュエータのような微小アクチュエータがある。前者の場合には、共振による稼動部の位置の変動が発生する恐れがあり、後者の場合には、何度も稼動部の移動を繰り返すと、絶縁膜が磨耗して壊れる問題が発生する。
【００３４】
更に、従来の微小アクチュエータの共通する問題として、電源を切ると、稼働部を所定の位置に保持していた力が消失し、稼働部は、その位置に保持することはできず、元の位置に戻ってしまう問題がある。よって、同一の位置に稼動部を保持するためには、電源を入れ続ける必要があり、多数の微小アクチュエータを使用する場合には、大きな電力が消費される問題が発生する。
【００３５】
従って、現在、コンピュータやデジタルカメラ等における記憶媒体としてのフラッシュメモリのように、電源が切られてもその状態の保持が可能な機能が、微小アクチュエータにも備われば、光通信システムやその他様々な分野において、技術的、経済的な大きなメリットを享受することができる。
【００３６】
本発明の保持機構を備える微小アクチュエータは、上述の２つの問題を解決し、多くの適用用途が考えられる発明である。
具体的には、本発明は、トランジスタと帯電体と稼働部を主要部材とするアクチエータである。トランジスタは、シリコン基板の表層にソース端子、ドレイン端子、及びチャネルを備える。例えば、ＮＰＮ型トランジスタが代表例である。ここで、チャネルとは、ソース端子とドレイン端子の間の電流流路である。
【００３７】
帯電体は、チャネルからのトンネル電流が流れる程度の数十ｎｍ程度の膜厚の絶縁薄膜を介して、チャネル部分を含むトランジスタの表面に固定される。この帯電体のトランジスタの反対面は、トンネル電流が流れないためには充分な厚さではあるが、静電容量を小さくしない程度の、代表的には０．１μｍ〜１μｍの厚さの絶縁薄膜で覆われる。この絶縁膜に覆われた帯電体は、複数設けることも可能である。
【００３８】
更に、この固定電極上に固定された帯電体から、ある距離を隔てて、稼働部が設置されている。稼働部は、帯電体から離れた位置の位置と、帯電体（実施は表面の絶縁膜）と接触又は近接した位置との間を移動する。
【００３９】
ここで、稼働部を静電引力等の何らかの方法によって、稼働部を帯電体（実施は表面の絶縁膜）と接触又は近接した位置へ移動させる。例えば、トランジスタと稼働部の間に発生する静電引力によって、移動させることがひとつの方法である。
【００４０】
次に、トンネル電流によって上記のチャネルからの帯電体に、電荷を蓄積させると、帯電体は、静電引力によって稼働部を吸着し、接触した位置に保持する。従って、従来技術のようなバネ力との釣り合いで位置を保持するわけではないので、稼働部の位置の変動等は生じず、その位置が保たれる。また、絶縁膜を傷付ける等の問題も発生しない。
【００４１】
また、帯電体にトンネル電流で蓄電された電荷は、半永久的に消去されないため、電源が切られても静電引力は維持されるので、稼動部を吸着した帯電体は、帯電体の電荷消去を行なわない限り安定して吸着を保持することができる。
【００４２】
また、この稼動部を違った位置へ動かしたい場合には、帯電体の電荷をいったん消去する。次に、静電引力等の何らかの方法で、稼動部を別の位置に動かし、その後、上述と同様の方法によって位置の保持が可能である。つまり、トンネル電流によって、稼働部が接触した帯電体に電荷を蓄積させ、その電荷による静電引力によって、位置を保持することができる。
【００４３】
ここで、図１に本発明の保持機構を備えた微小アクチュエータの実施例１を示す。この実施例では、稼動部の板が静電引力で上下に動き、初期位置の位置１と静電引力に引き付けられた位置２の間を移動する機構を有する。
【００４４】
図１（ａ）のトランジスタ１を形成するシリコン基板は、ボロンを添加（ドープ）したＰ型シリコンである。このシリコン基板の上側の表層部に、リンをドープしてＮＰＮ型のトランジスタ領域を形成し、トランジスタ１となる。図１で左側のＮ層はソース端子２であり、右側のＮ層がドレイン端子３である。ソース端子２とドレイン端子３の間で電流流路となるチャネル４の幅は約０．２μｍとなっている。
【００４５】
図１（ａ）のトランジスタ１の上面の中央部分（ソース２とチャネル４とドレイン３の上面）に、膜厚が約７０ｎｍのＳｉＯ２の絶縁膜５を設ける。そのＳｉＯ２の絶縁膜５の上に、帯電体６として厚さが約０．３μｍのポリシリコンを設ける。この帯電体６の平面的な大きさは、４５０μｍ角の大きさである。次にその帯電体６の上に、膜厚が約０．５μｍのＳｉＯ２の絶縁膜７を設ける。
【００４６】
更にトランジスタ１の上には、板９とバネ１０からなる稼動部８と、２本の柱部分１１を主要部材とする構造物１３が設置される。この２本の柱部分１１は、帯電体６の両脇の位置に設置される。
また、稼動部８は、絶縁層１２を介して柱部分１１に設置されており、トランジスタ１とは、絶縁されている。
【００４７】
次に、この保持機構を備えた微小アクチュエータの動作を説明する。
まず、トランジスタ１の下部のシリコン基板部分とソース２を接地する。板９とバネ１０からなる稼動部８と、ドレイン３に高電圧を印加する。ここで、上述したように、稼動部８は、トランジスタ１とは電気的に絶縁されている。
【００４８】
上記の電圧の印加によって、ソース２からドレイン３へ向かってチャネル４の領域を電子が高速で走る。ドレイン３の近傍で十分に高いエネルギーを得た電子（Ｈｏｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ）は、シリコン結晶格子によって散乱し、絶縁膜５の界面でトンネル効果によって、帯電体６の中へ注入される。この電流をトンネル電流と呼ぶ。
【００４９】
更に、トランジスタ１と上方の板９との間には、静電引力が働くので、板９は下方へ移動し、帯電体６の上側の絶縁膜７に接触した状態で固定される。（図２（ｂ）参照。）
ここで電圧の印加を止めても、帯電体６に蓄積された電荷のために、板９と帯電体６の間に静電引力が働き、板９は絶縁膜７に接触した状態のまま固定されたままとなる。板９が上に戻ることはない。
【００５０】
これによって、位置情報の書込みが完了したこととなる。つまり、電源を切っても、その位置情報が維持され、ちょうど電子機器に利用されるフラッシュメモリの記憶保持機能と同様の機能を得ることができる。
【００５１】
次に、この書込みを消去する方法を示す。上述の状態から、ドレイン３を接地させ、稼動部８も接地させる。トランジスタ１の下部のシリコン基板は、接地したままとする。ここで、ソース２に高電圧を印加すると、帯電体６に蓄積されていた電子が、トンネル効果によってドレイン３に引っ張り出され、帯電体６は中性に戻る。従って、帯電体６と板９の間には静電引力は生じなくなるので、板９はバネ１０の力で、元の上方の位置へ戻る。すなわち、位置情報の消去が行われたことになる。
【００５２】
この実施例では、板を上下の２つの位置に移動させ、電源を切ってもその位置を保持するメモリ機能が実現されているが、他の方向でも構わない。また、複数の帯電体を有して、複数のポジションがとれる機構を有することも可能である。このような保持機能を供える微小アクチュエータは、従来実現されていなかった。
【００５３】
次に本発明の保持機構を備える微小アクチュエータの製造方法を説明する。図２を用いて、実施例１に示す微小アクチュエータの製造方法の実施例を示す。
【００５４】
シリコン基板３１の上に、ＮＰＮトランジスタとなるパターンをフォトレジストしてリンのイオン打ち込みを行なう。この工程で、ＮＰＮ型トランジスタが製造される。（図２（ａ）と（ｂ）を参照。）
ここで、フォトレジストとは、照射部と未照射部の現像液に対する溶解性の差異を利用して、高分子樹脂によってパターン形成を行なうことである。この高分子樹脂で覆われた部分には、リンは打ち込まれない。
【００５５】
続いて、フォトレジストによって、絶縁膜３２を生成する所定のエリアのみを開口とし、シリコン基板１ごと熱酸化によって、上記のエリアにＳｉＯ２膜の酸化膜を生成し、絶縁膜３２を設ける。本実施例では、絶縁膜３２の厚みは、７０ｎｍである。（図２（ｃ）参照。）
【００５６】
続いて、フォトレジストによって、絶縁膜３２のエリアよりも小さいエリアの開口を作り、この開口部に低圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）法によって、厚さ約０．３μｍのポリシリコンの膜を生成し、帯電体３３を設ける。（図２（ｄ）参照。）
【００５７】
続いて、フォトレジストによって、絶縁膜３２と同じエリアに開口を作り、ＣＶＤ法によって、厚さ約０．５μｍのＳｉＯ２膜を生成し、絶縁膜３４を設ける。（図２（ｅ）参照。）
以上によって、トランジスタに絶縁膜を有する帯電体が固定された、固定部が製造される。
【００５８】
次に、別のシリコン基板として、活性層厚さが２μｍと２５μｍの２層ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）板（図２（ｆ）参照。）を利用して稼働部を製造する。ここで、ＳＯＩ板とは、絶縁基板上に単結晶シリコンの薄膜を成長させて形成されたシリコン基板である。
このＳＯＩ板の２μｍの活性層上に、フォトレジストによって、除去する部分を開口として、板３５とバネ３６のパターンを描く。次に、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置によって、フォトレジストの開口部は、ＳＯＩ板の絶縁層に達するまで、垂直にエッチングされる。（図２（ｇ）参照。）
【００５９】
続いて、ＳＯＩ板の裏側（２５μｍ活性層側）から、板３５とバネ３６の位置に相当し、それよりも若干大きめエリアを、ＩＰＣエッチング装置で絶縁層に達するまで、垂直にエッチングして、柱部分３７を設ける。（図２（ｈ）参照。）
【００６０】
続いて、絶縁層３９のうち不要部分を、溶剤で溶かすと、板３５がバネ３６で支えられ中空に浮いた構造物３８が得られる。（図２（ｉ）参照。）
【００６１】
上記で得られた構造物３８と、図２（ｅ）で示されるトランジスタ（固定部）を融着させることによって、本発明の保持機構を備える微小アクチュエータが製造される。（図２（ｊ）参照。）
【００６２】
以上のような製造方法によって、製造コストも多くかけずに、安定して、本発明の保持機構を備える微小アクチュエータを製造することが可能である。
【００６３】
次に、本発明の実施例２を図３に示す。
この実施例２では、実施例１に示した誘電体の上に、更に制御用誘電体が設けられている。
【００６４】
また、実施例１では、稼動部分が上下に動き、位置１と位置２の間を移動したが、この実施例では、回転ヒンジで支えられた稼動部を備え、その稼動部が固定電極との間に発生した静電引力によって回転する。つまり、初期位置である位置１と、位置１から所定の角度を回転した位置２の間を稼動部は回転移動する機構を有する。
ただし、実施例１のように、稼動部が上下運動を行なうタイプにすることも、もちろん可能である。
【００６５】
図３（ａ）と（ｂ）に、固定電極側の構造を示す。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す矢視Ａにおける断面図を示す。トランジスタ１を形成するシリコン基板は、実施例１と同様に、ボロンを添加（ドープ）したＰ型シリコンである。このシリコン基板に上側の表層部に、リンをドープしてＮＰＮ型のトランジスタ領域を形成し、トランジスタ１となる。図３（ｂ）で左側のＮ層はソース端子２であり、右側のＮ層がドレイン端子３である。
【００６６】
トランジスタ１の上面には、実施例１と同様に、膜厚が約７０ｎｍの絶縁膜５と、膜厚が約０．５μｍの絶縁膜７に覆われた厚みが約０．３μｍのポリシリコンからなる誘電体６が、図３（ａ）に示される領域に設けられる。本実施例では、十分な静電引力が得られるように、実施例１よりも更に大きな面積が取られている。
【００６７】
絶縁膜７の上面でＮＰＮ型トランジスタを覆う位置に、ポリシリコンからなる制御用誘電体４０が設けられている。図３の実施例の場合、ポリシリコンの寸法は、厚み約５μｍで幅約５μｍである。
【００６８】
更に、図３（ｃ）に示すように、この固定電極の上に、ＳＯＩ板から作製される構造物１３が陽極接合される。この構造物１３には、回転ヒンジ４１で支えられた稼動部４２が設けられている。この回転ヒンジ４１と稼動部４２は、実施例１と同様に、ＳＯＩ板の絶縁層によって、構造物１３の下部及び固定電極とは絶縁されている。
【００６９】
ここで、この実施例２の動作を説明する。まず、トランジスタ１の下部のシリコン基板部分とソース２を接地する。また、回転ヒンジ４１と稼動部４２も接地する。次に、ドレイン３と制御誘電体４０に高電圧を印可する。
【００７０】
この電圧印可によって、ソース２からドレイン３に向かってチャンネル領域５を電子が高速で走る。ドレイン３の近傍で十分高いエネルギを得た電子（ｈｏｔ−ｅｌｅｃｔｒｏｎ）は、シリコン結晶格子により散乱され、絶縁膜６の界面で、トンネル効果により誘電体６中に注入される。
この注入された電荷により帯電した誘電体６と稼動部４２間に静電引力が働き、図３（ｄ）に示すように、稼動部４２は回転ヒンジ４１を回転軸として回転し、位置２に至る。この回転角度は、誘電体６に注入される電荷の量で制御することが可能である。注入される電荷の量は、印可する電圧の大きさ及び時間をコントロールすることによって、制御可能である。
【００７１】
ここで電圧の印可を止めても、帯電体６に蓄積された電荷は、絶縁膜５，７に覆われているため逃げることはないので、半永久的に稼動部４２との静電引力を保ち続ける。
すなわち、帯電体６に注入した電荷量を制御することで、任意の回転角度で稼動部４２の位置情報を書き込み保持することができる。
【００７２】
次に、この位置情報を消去する方法を示す。上述の状態から、ドレイン３をオープンにして、制御誘電体４０とトランジスタ１の下部のシリコン基板部分を接地する。ここで、ソース２に高電圧を印可すると、誘電体６中の電子がトンネル効果で、ドレイン３へ引っ張り出され、誘電体６は中性に戻る。
誘電体６と稼動部４２の間の静電引力はなくなるので、回転ヒンジ４１のバネ力によって、稼動部４２は、もとの位置１へ戻る。すなわち、位置情報の消去が行われる。
【００７３】
ここで、実施例２の保持機構を備える微小アクチュエータの製造方法を、簡単に説明する。
固定電極側の、ＮＰＮ型トランジスタ構造を有するトランジスタ１の上に絶縁膜５と絶縁膜７に覆われたポリシリコンからなる誘電体６を設ける方法は、実施例１と同様である。
更に、この絶縁膜７の上に、フォトレジストによって、このＮＰＮ型トランジスタ部分を覆う所定の位置に開口部を設ける。そして、ＣＶＤ法によって、この開口部に、ポリシリコンを蒸着させ、制御誘電体４０を設ける。
【００７４】
次に、稼動部側の構造物１３、回転ヒンジ４１、稼動部４２の製造方法を示す。基本的には、実施例１と同様であり、活性層厚さが２５μｍと２μｍの２層ＳＯＩ板を用いる。
このＳＯＩ板の２μｍの活性層上に、フォトレジストによって、除去する部分を開口として、回転ヒンジ４１と稼動部４２のパターンを描く。次に、ＩＣＰエッチング装置によって、フォトレジストの開口部は、ＳＯＩ板の絶縁層に達するまで、垂直にエッチングされる。
【００７５】
続いて、ＳＯＩ板の裏側（２５μｍ活性層側）から、回転ヒンジ４１と稼動部４２位置に相当し、それよりも若干大きめなエリアを、ＩＰＣエッチング装置で絶縁層に達するまで、垂直にエッチングして、柱部分３７を設ける。続いて、ＳＯＩ板の絶縁層のうち不要部分を、溶剤で溶かすと、稼動部４２が回転ヒンジ４１で支えられ中空に浮いた構造物１３が得られる。
【００７６】
以上のように、実施例２においても実施例１と同様に、製造コストも多くかけずに、安定して、本発明の保持機構を備える微小アクチュエータを製造することが可能である。
【００７７】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、更に様々な実施態様が考えられる。
【発明の効果】
【００７８】
従来の微小アクチュエータは、その稼働部を一定位置に保持する場合に、バネによる共振等の問題から位置の変動を起こす問題や、絶縁層を損傷する問題が発生していた。しかし、本発明の保持機構を備えた微小アクチュエータにおいては、稼働部を、変動なく一定の位置に保持することが可能であり、また、絶縁層を損傷する等の問題も発生しない。
【００７９】
更に、従来の微小アクチュエータは、電源を遮断すると、稼働部の位置を保持することはできないので、位置情報を保持する機能は有していなかった。しかし、本発明の保持機構を備えた微小アクチュエータにおいては、電源を遮断しても、稼動部の位置はそのまま保持されるため、微小アクチュエータにおいて、初めて、位置情報の保持が可能となった。
また、印可する電圧等をコントロールすることによって、帯電体に帯電させる電荷の量を制御し、稼働部の移動量を制御し、稼動部を任意の位置に保持することが可能である。
【００８０】
更に、従来の微小なアクチュエータを使用する場合においては、稼動部の位置を保持するために、電源を入れたままで使用しなければならない。仮に一台の微小アクチュエータの消費電力が小さくとも、例えばＤＷＤＭ通信システムの各波長に微小アクチュエータを使用すれば、１００以上必要となり、全体としては、稼動部の位置を保持するだけで、大きな電力消費となる。
しかし、本発明では、稼動部の位置を保持するためには、電力は全く消費せず、
つまり、消費電力は、保持情報の書き換えのときのみに発生し、保持時には消費電力は発生しないので、システムの運転コストは大幅に下がる。従って、経済的に大変大きなメリットがある。
【００８１】
更に、従来の微小なアクチュエータの場合には、稼動部を保持している電源が、停電等で切れた場合には、保持情報を維持できなくなる危険性がある。また、それを防ぐために、バックアップ電源等の余計なコストも必要となる。
しかし、本発明では、停電等にようる電源遮断が発生しても、位置情報の保持には全く影響を及ぼさないので、安全性の高いシステムを構築することが可能となる。
【００８２】
更に、本発明の製造方法によれば、低い製造コストで、安定して、保持機構を備える微小アクチュエータを製造することができるので、上記のＤＷＤＭ通信システム等、幅広く適用されることが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の保持機構を備えた微小アクチュエータの実施例１の構造と動作を示す図。
【図２】本発明の保持機構を備えた微小アクチュエータの製造方法を示す図。
【図３】本発明の保持機構を備えた微小アクチュエータの実施例２の構造と動作を示す図。
【符号の説明】
１ トランジスタ
２ ソース端子
３ ドレイン端子
４ チャネル
５ 絶縁膜
６ 帯電体
７ 絶縁膜
８ 稼動部
９ 板
１０ バネ
１１ 柱部分
１２ 絶縁層
１３ 構造物
２１ トランジスタ
２２ 帯電体
２３ トランジスタ
２４ 帯電体
２５ 板
２６ バネ
２７ 稼動部
２８ 構造物
３１ シリコン基板
３２ 絶縁膜
３３ 帯電体
３４ 絶縁膜
３５ 板
３６ バネ
３７ 柱部分
３８ 構造物
３９ 絶縁層
４０ 制御用帯電体
４１ 回転ヒンジ
４２ 稼動部
【発明の属する技術分野】
【０００２】
本発明は、半導体基板上に設けられ、微小な機械的運動を行なうアクチュエータであって、変動等の問題がなく稼動部を所定の位置に保持することが可能な微小アクチュエータ、及び、その製造方法に関する。
【従来の技術】
【０００３】
半導体微細加工技術を用いて、半導体基板上に、静電力、電磁力、熱応力等によって、微小な動きを実現するアクチュエータを設ける試みが、様々な方法で行われている。また、一部では、このアクチュエータを用いた加速度センサや光スイッチ等が実用化されている。
【０００４】
代表的なアクチュエータの例としては、コムドライブアクチュエータ（ＵＳパテント５０２５３４６）が挙げられる。このコムドライブアクチュエータは、櫛場状に電極を配置し、対向する櫛場の片方を固定電極、もう一方を稼動電極としており、稼動電極はバネにより支えられている。この櫛場電極に電圧を印加すると、静電引力によって稼動櫛場電極がバネとの釣り合いの位置まで移動する機構になっている。このコムドライブアクチュエータを光スイッチに適用した例が、報告されている。
【０００５】
また、櫛場状ではないが、同じ静電力を利用した光スイッチの例も発表されている。バネによって支えられた上側電極と、下側固定電極間に電圧を印加することで静電力を発生させ、上側電極を上下運動させる。この上側電極側に稼動部を備え、この上下運動によって、稼動部を、光ビームを反射する位置としない位置に動かして、光の光路を入れ替える光スイッチが発表されている。
【０００６】
また、スクラッチドライブアクチュエータと呼ばれる静電力アクチュエータも、報告されている。このスクラッチドライブアクチュエータは、シリコンウエハ上に絶縁層として窒化シリコン膜を形成し、その上にブッシングと称する突起が付いたプレートが配置されている。このプレートとシリコンウエハの間に電圧を印加すると、プレートが静電引力でシリコンウエハ側に引き寄せられ、このプレートに付けられたブッシングが斜めに窒化シリコン膜に付着する。電圧を取り除くと、プレートが窒化シリコン膜から剥がされるが、このときブッシングが窒化シリコン膜を引っかくようにして、その摩擦力でプレート自体が前進する。すなわち、絶縁膜を引っかき（スクラッチ）ながら動くのでスクラッチアクチュエータと呼ばれている。
【０００７】
これらの他にも、熱応力を利用したものや、圧電素子膜等を利用したアクチュエータ等の様々な形態が報告されている。
また、電磁力アクチュエータとしては、例えば稼動部にコイルを形成して、これに電流を流すことで磁場を発生させ、外部に置いた永久磁石との電磁力によって稼動部を動かすタイプのものが報告されている。
【０００８】
【特許文献１】
ＵＳパテント ５０２５３４６
【非特許文献１】
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖｏｌ．１７， Ｎｏ．１， Ｊａｎｕａｒｙ， ｐ．２−６
【非特許文献２】
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ， Ｖｏｌ．２， Ｎｏ．３ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ １９９３ ｐ１０６−１１９
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上述の従来型の微小アクチュエータは、以下の問題点を有する。
第１番目の問題点は、振動等によって稼動部を定位置に固定することが困難な問題である。
【００１０】
例えば、上述のコムドライブアクチュエータでは、対向する櫛場間に電圧を印加すると、その電圧による静電力とバネとの釣り合い位置まで動くが、この位置は、電圧を一定に保っていても、ある振動が加わると変動してしまう。この変動量は、バネの強さと稼動部の質量で決定される共振周波数から計算される。バネが弱いと共振周波数が小さくなり、わずかな振動が加わった場合でも、数μｍ〜数十μｍの変動が発生する。微小アクチュエータは数十μｍの移動量を達成するように設計される場合が多く、設計の移動量に対し、振動による変動が数十パーセントにも及ぶことになり、実用上大きな問題となる。
【００１１】
一方、バネを強くすると共振周波数が高くなり、振動による変動量は小さくなるが、この場合、所定の移動量を達成するには、大きな電力を要することになる。具体的には、静電力の場合では、印加電圧を数百ボルトにしなければならない場合も出てくる。微小な空間に高電圧を印加すると、放電によりアクチュエータが破壊される危険性が高くなる。
【００１２】
例えば、空気の場合、放電開始電圧は３００ボルト程度とされており、放電の危険性の無い状態で、強いバネに対応する移動量を確保することは困難である。従って、コムドライブアクチュエータにおいて、いずれの方法を採っても、変動をなくすことは非常に困難である。
【００１３】
この振動による変動は、静電力に限らず、電磁力等の他の駆動力を用いても同様な問題が発生する。すなわち、駆動力とバネとの釣り合いで位置を保持するタイプのアクチュエータの場合には、避けられない問題である。
【００１４】
また、上述のスクラッチドライブアクチュエータの場合には、この振動の問題は避けられるが、その名の通り、絶縁膜を引っかくので、何度も動かすと絶縁膜が磨耗して壊れる問題が発生するという、別の大きな問題を有する。
【００１５】
第２番目の問題点は、稼動部を所定の移動量に移動させた後、その位置に停止させておくためには、電圧や電流を加え続けなければならないことである。従って、電源を切ると、その位置に停止させておくことはできず、元の位置へ戻ってしまうという問題が発生する。
【００１６】
そこで、微小アクチュエータを所定の量だけ移動後に、その位置で停止させるために、例えば、機械的に押さえ込む方法が考えられる。しかし、この場合、機械的に押さえ込む更なるアクチュエータが必要となり、このアクチュエータも電源を切れば押さえ込む機能は失われるので、稼動部は元の位置へ戻ってしまう。従って、いずれにしても、電源に依存しない固定機構としては機能しない。
【００１７】
また、静電力により稼動部を固定部に静電吸着させることも考えられるが、この方法も、電源が切られれば静電吸着できなくなり、電源に依存しない固定機構にはならない。
【００１８】
従って、いずれの方法によっても、電源を切ると、稼働部をその位置を保持することはできず、元の位置に戻ってしまう問題を有する。従って、位置を保持するために常に電源を入れておく必要があり、多数の微小アクチュエータを使用する場合には、多くの電力を消費する問題が発生する。例えば、ＤＷＤＭ通信システムにおいて、各波長ごとにひとつの微小アクチュエータを用いたとすると、１００以上の微小アクチュエータが必要となり、位置を保持するために消費する電力は莫大なものになる。
【００１９】
また、もし停電等によって電源が落ちた場合、微小アクチュエータはその位置を保持できなくなり、安全性の面を考えても大きな問題となる。また、それを防ぐためには、バックアップ電源等を備えることが必要ともなり、コスト的にも問題となる。
【００２０】
従って、この発明の目的は、上述した従来の問題点を解決して、稼動部が所定の位置に変動等なく固定され、更に、電源を切っても、その位置に保持される微小アクチュエータを提供することにある。
【課題を解決する手段】
本発明者は、上述した従来の問題点を解決すべく、鋭意研究を重ねた。その結果、以下に示すような保持機構を備える微小アクチュエータ、及び、その製造方法を知見した。
【００２１】
本発明の保持機構を備える微小アクチュエータでは、トランジスタの上に、半導体微細加工によって、トンネル電流が流れる程度の厚さの絶縁膜を介してポリシリコン等からなる帯電体を固定する。この帯電体のトランジスタ側の半体側の面も、トンネル電流は流さないが静電容量を小さくしない程度の厚さの絶縁膜で覆う。更に、この帯電体から離れた位置に、稼働部を配置する。
【００２２】
ここで、トンネル電流とは、高いエネルギを得た電子（Ｈｏｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ）が、所定の薄い膜厚を有する絶縁膜を透過するトンネル効果によって流れる電流のことである。
【００２３】
稼働部を静電引力等の方法で帯電体（実際には覆っている絶縁層）に接触又は近接する位置まで動かす。次に、トランジスタのチャネル部分からのトンネル電流によって、この帯電体に電荷を蓄積させる。仮に、電源を切っても、この電荷は蓄積されたままなので、この電荷によって帯電体と稼動部の間で発生した静電引力によって、稼動部の位置は保持され続ける。
また、本発明の微小アクチュエータは、静電引力等とバネ等との力の釣り合いで、位置を保持する機構ではないので、振動等による位置の変動等の問題も発生しない。
【００２４】
この発明の保持機構を備えた微小アクチュエータの第１の態様は、表層部に、ソース端子と、ドレイン端子と、チャネルと、を備えたトランジスタと、
前記チャネルを含む前記トランジスタの表面に絶縁膜１を介して固定され、前記絶縁膜１に接する面の反対側の面に、前記絶縁層１と異なる膜厚を有する絶縁膜２を備えた少なくともひとつの帯電体と
前記帯電体から所定の距離をおいた位置１に配置され、前記トランジスタと絶縁された稼動部と、
を備え、
前記稼動部が、前記位置１から前記絶縁膜２に接触する位置２に移動し、
前記チャネルに電流を流し、前記ドレインと前記稼動部に電圧を印加して、前記チャネルからのトンネル電流によって前記帯電体を帯電させ、
該帯電によって前記帯電体と前記稼動部の間に発生する静電引力によって、前記稼動部が前記位置２に保持される保持機構を備えた微小アクチュエータである。
【００２５】
この発明の保持機構を備えた微小アクチュエータの第２の態様は、前記トランジスタが、ＮＰＮ型トランジスタである保持機構を備えた微小アクチュエータである。
【００２６】
この発明の保持機構を備えた微小アクチュエータの第３の態様は、前記トランジスタと前記稼動部との間に発生する静電引力によって、前記稼動部が前記位置２へ移動する保持機構を備えた微小アクチュエータである。
【００２７】
この発明の保持機構を備えた微小アクチュエータの第４の態様は、前記帯電体に帯電させる電荷の量を制御して、前記稼動部の移動量を制御する保持機構を備えた微小アクチュエータである。
【００２８】
この発明の保持機構を備えた微小アクチュエータの第５の態様は、前記稼動部が、前記帯電体と前記稼動部の間の静電引力が除去されたときに、前記稼動部を前記位置２から前記位置１へ戻すバネを備えた保持機構を備えた微小アクチュエータである。
【００２９】
この発明の保持機構を備えた微小アクチュエータの第６の態様は、前記絶縁膜１の膜厚が１０から１００ｎｍであり、前記絶縁膜２の厚さが０．１から１μｍである保持機構を備えた微小アクチュエータである。
【００３０】
この発明の保持機構を備えた微小アクチュエータの第７の態様は、前記帯電体の上に更に制御用誘電体が設けられた保持機構を備えた微小アクチュエータである。
【００３１】
この発明の保持機構を備えた微小アクチュエータの製造方法の第１の態様は、シリコン基板に、トランジスタとなるパターンを設けるフォトレジストを行った後、イオン打ち込みによってトランジスタを製造する工程１と、
前記トランジスタに、所定のエリアを開口とするフォトレジストを行った後、ＣＶＤ法によってＳｉＯ２膜を生成し、絶縁膜１を設ける工程２と、
前記トランジスタに、前記絶縁膜１よりも小さいエリアを開口とするフォトレジストを行った後、ＣＶＤ法によってポリシリコン膜を生成し、帯電体を設ける工程３と、
前記トランジスタに、前記絶縁膜１と同じエリアを開口とするフォトレジストを行った後、ＣＶＤ法によってＳｉＯ２膜を生成し、絶縁膜２を設ける工程４と、ＳＯＩ板に、板とバネのパターンを設けるフォトレジストを行った後、前記ＳＯＩ板の絶縁層に達するまでエッチングを行って、前記板と前記バネを形成する工程５と、
前記ＳＯＩ板の反対側から、前記絶縁層に達するまでエッチングを行い、次に前記絶縁層を溶解して柱部分を形成し、構造物を製造する工程６と、
工程１から４によって製造された前記トランジスタと、工程５と６によって製造された前記構造物を融着させる工程７と、
を備える保持機構を備えた微小アクチュエータの製造方法である。
【発明の実施の形態】
【００３２】
本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
まず、本発明の保持機構を備える微小アクチュエータの全般を説明する。
【００３３】
上述したように従来の微小アクチュエータにおいては、コムドライブアクチュエータに代表されるような、静電力等とバネとの力の釣り合いで稼働部を移動し、保持させるタイプや、スクラッチドライブアクチュエータのような微小アクチュエータがある。前者の場合には、共振による稼動部の位置の変動が発生する恐れがあり、後者の場合には、何度も稼動部の移動を繰り返すと、絶縁膜が磨耗して壊れる問題が発生する。
【００３４】
更に、従来の微小アクチュエータの共通する問題として、電源を切ると、稼働部を所定の位置に保持していた力が消失し、稼働部は、その位置に保持することはできず、元の位置に戻ってしまう問題がある。よって、同一の位置に稼動部を保持するためには、電源を入れ続ける必要があり、多数の微小アクチュエータを使用する場合には、大きな電力が消費される問題が発生する。
【００３５】
従って、現在、コンピュータやデジタルカメラ等における記憶媒体としてのフラッシュメモリのように、電源が切られてもその状態の保持が可能な機能が、微小アクチュエータにも備われば、光通信システムやその他様々な分野において、技術的、経済的な大きなメリットを享受することができる。
【００３６】
本発明の保持機構を備える微小アクチュエータは、上述の２つの問題を解決し、多くの適用用途が考えられる発明である。
具体的には、本発明は、トランジスタと帯電体と稼働部を主要部材とするアクチエータである。トランジスタは、シリコン基板の表層にソース端子、ドレイン端子、及びチャネルを備える。例えば、ＮＰＮ型トランジスタが代表例である。ここで、チャネルとは、ソース端子とドレイン端子の間の電流流路である。
【００３７】
帯電体は、チャネルからのトンネル電流が流れる程度の数十ｎｍ程度の膜厚の絶縁薄膜を介して、チャネル部分を含むトランジスタの表面に固定される。この帯電体のトランジスタの反対面は、トンネル電流が流れないためには充分な厚さではあるが、静電容量を小さくしない程度の、代表的には０．１μｍ〜１μｍの厚さの絶縁薄膜で覆われる。この絶縁膜に覆われた帯電体は、複数設けることも可能である。
【００３８】
更に、この固定電極上に固定された帯電体から、ある距離を隔てて、稼働部が設置されている。稼働部は、帯電体から離れた位置の位置と、帯電体（実施は表面の絶縁膜）と接触又は近接した位置との間を移動する。
【００３９】
ここで、稼働部を静電引力等の何らかの方法によって、稼働部を帯電体（実施は表面の絶縁膜）と接触又は近接した位置へ移動させる。例えば、トランジスタと稼働部の間に発生する静電引力によって、移動させることがひとつの方法である。
【００４０】
次に、トンネル電流によって上記のチャネルからの帯電体に、電荷を蓄積させると、帯電体は、静電引力によって稼働部を吸着し、接触した位置に保持する。従って、従来技術のようなバネ力との釣り合いで位置を保持するわけではないので、稼働部の位置の変動等は生じず、その位置が保たれる。また、絶縁膜を傷付ける等の問題も発生しない。
【００４１】
また、帯電体にトンネル電流で蓄電された電荷は、半永久的に消去されないため、電源が切られても静電引力は維持されるので、稼動部を吸着した帯電体は、帯電体の電荷消去を行なわない限り安定して吸着を保持することができる。
【００４２】
また、この稼動部を違った位置へ動かしたい場合には、帯電体の電荷をいったん消去する。次に、静電引力等の何らかの方法で、稼動部を別の位置に動かし、その後、上述と同様の方法によって位置の保持が可能である。つまり、トンネル電流によって、稼働部が接触した帯電体に電荷を蓄積させ、その電荷による静電引力によって、位置を保持することができる。
【００４３】
ここで、図１に本発明の保持機構を備えた微小アクチュエータの実施例１を示す。この実施例では、稼動部の板が静電引力で上下に動き、初期位置の位置１と静電引力に引き付けられた位置２の間を移動する機構を有する。
【００４４】
図１（ａ）のトランジスタ１を形成するシリコン基板は、ボロンを添加（ドープ）したＰ型シリコンである。このシリコン基板の上側の表層部に、リンをドープしてＮＰＮ型のトランジスタ領域を形成し、トランジスタ１となる。図１で左側のＮ層はソース端子２であり、右側のＮ層がドレイン端子３である。ソース端子２とドレイン端子３の間で電流流路となるチャネル４の幅は約０．２μｍとなっている。
【００４５】
図１（ａ）のトランジスタ１の上面の中央部分（ソース２とチャネル４とドレイン３の上面）に、膜厚が約７０ｎｍのＳｉＯ２の絶縁膜５を設ける。そのＳｉＯ２の絶縁膜５の上に、帯電体６として厚さが約０．３μｍのポリシリコンを設ける。この帯電体６の平面的な大きさは、４５０μｍ角の大きさである。次にその帯電体６の上に、膜厚が約０．５μｍのＳｉＯ２の絶縁膜７を設ける。
【００４６】
更にトランジスタ１の上には、板９とバネ１０からなる稼動部８と、２本の柱部分１１を主要部材とする構造物１３が設置される。この２本の柱部分１１は、帯電体６の両脇の位置に設置される。
また、稼動部８は、絶縁層１２を介して柱部分１１に設置されており、トランジスタ１とは、絶縁されている。
【００４７】
次に、この保持機構を備えた微小アクチュエータの動作を説明する。
まず、トランジスタ１の下部のシリコン基板部分とソース２を接地する。板９とバネ１０からなる稼動部８と、ドレイン３に高電圧を印加する。ここで、上述したように、稼動部８は、トランジスタ１とは電気的に絶縁されている。
【００４８】
上記の電圧の印加によって、ソース２からドレイン３へ向かってチャネル４の領域を電子が高速で走る。ドレイン３の近傍で十分に高いエネルギーを得た電子（Ｈｏｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ）は、シリコン結晶格子によって散乱し、絶縁膜５の界面でトンネル効果によって、帯電体６の中へ注入される。この電流をトンネル電流と呼ぶ。
【００４９】
更に、トランジスタ１と上方の板９との間には、静電引力が働くので、板９は下方へ移動し、帯電体６の上側の絶縁膜７に接触した状態で固定される。（図２（ｂ）参照。）
ここで電圧の印加を止めても、帯電体６に蓄積された電荷のために、板９と帯電体６の間に静電引力が働き、板９は絶縁膜７に接触した状態のまま固定されたままとなる。板９が上に戻ることはない。
【００５０】
これによって、位置情報の書込みが完了したこととなる。つまり、電源を切っても、その位置情報が維持され、ちょうど電子機器に利用されるフラッシュメモリの記憶保持機能と同様の機能を得ることができる。
【００５１】
次に、この書込みを消去する方法を示す。上述の状態から、ドレイン３を接地させ、稼動部８も接地させる。トランジスタ１の下部のシリコン基板は、接地したままとする。ここで、ソース２に高電圧を印加すると、帯電体６に蓄積されていた電子が、トンネル効果によってドレイン３に引っ張り出され、帯電体６は中性に戻る。従って、帯電体６と板９の間には静電引力は生じなくなるので、板９はバネ１０の力で、元の上方の位置へ戻る。すなわち、位置情報の消去が行われたことになる。
【００５２】
この実施例では、板を上下の２つの位置に移動させ、電源を切ってもその位置を保持するメモリ機能が実現されているが、他の方向でも構わない。また、複数の帯電体を有して、複数のポジションがとれる機構を有することも可能である。このような保持機能を供える微小アクチュエータは、従来実現されていなかった。
【００５３】
次に本発明の保持機構を備える微小アクチュエータの製造方法を説明する。図２を用いて、実施例１に示す微小アクチュエータの製造方法の実施例を示す。
【００５４】
シリコン基板３１の上に、ＮＰＮトランジスタとなるパターンをフォトレジストしてリンのイオン打ち込みを行なう。この工程で、ＮＰＮ型トランジスタが製造される。（図２（ａ）と（ｂ）を参照。）
ここで、フォトレジストとは、照射部と未照射部の現像液に対する溶解性の差異を利用して、高分子樹脂によってパターン形成を行なうことである。この高分子樹脂で覆われた部分には、リンは打ち込まれない。
【００５５】
続いて、フォトレジストによって、絶縁膜３２を生成する所定のエリアのみを開口とし、シリコン基板１ごと熱酸化によって、上記のエリアにＳｉＯ２膜の酸化膜を生成し、絶縁膜３２を設ける。本実施例では、絶縁膜３２の厚みは、７０ｎｍである。（図２（ｃ）参照。）
【００５６】
続いて、フォトレジストによって、絶縁膜３２のエリアよりも小さいエリアの開口を作り、この開口部に低圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）法によって、厚さ約０．３μｍのポリシリコンの膜を生成し、帯電体３３を設ける。（図２（ｄ）参照。）
【００５７】
続いて、フォトレジストによって、絶縁膜３２と同じエリアに開口を作り、ＣＶＤ法によって、厚さ約０．５μｍのＳｉＯ２膜を生成し、絶縁膜３４を設ける。（図２（ｅ）参照。）
以上によって、トランジスタに絶縁膜を有する帯電体が固定された、固定部が製造される。
【００５８】
次に、別のシリコン基板として、活性層厚さが２μｍと２５μｍの２層ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）板（図２（ｆ）参照。）を利用して稼働部を製造する。ここで、ＳＯＩ板とは、絶縁基板上に単結晶シリコンの薄膜を成長させて形成されたシリコン基板である。
このＳＯＩ板の２μｍの活性層上に、フォトレジストによって、除去する部分を開口として、板３５とバネ３６のパターンを描く。次に、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置によって、フォトレジストの開口部は、ＳＯＩ板の絶縁層に達するまで、垂直にエッチングされる。（図２（ｇ）参照。）
【００５９】
続いて、ＳＯＩ板の裏側（２５μｍ活性層側）から、板３５とバネ３６の位置に相当し、それよりも若干大きめエリアを、ＩＰＣエッチング装置で絶縁層に達するまで、垂直にエッチングして、柱部分３７を設ける。（図２（ｈ）参照。）
【００６０】
続いて、絶縁層３９のうち不要部分を、溶剤で溶かすと、板３５がバネ３６で支えられ中空に浮いた構造物３８が得られる。（図２（ｉ）参照。）
【００６１】
上記で得られた構造物３８と、図２（ｅ）で示されるトランジスタ（固定部）を融着させることによって、本発明の保持機構を備える微小アクチュエータが製造される。（図２（ｊ）参照。）
【００６２】
以上のような製造方法によって、製造コストも多くかけずに、安定して、本発明の保持機構を備える微小アクチュエータを製造することが可能である。
【００６３】
次に、本発明の実施例２を図３に示す。
この実施例２では、実施例１に示した誘電体の上に、更に制御用誘電体が設けられている。
【００６４】
また、実施例１では、稼動部分が上下に動き、位置１と位置２の間を移動したが、この実施例では、回転ヒンジで支えられた稼動部を備え、その稼動部が固定電極との間に発生した静電引力によって回転する。つまり、初期位置である位置１と、位置１から所定の角度を回転した位置２の間を稼動部は回転移動する機構を有する。
ただし、実施例１のように、稼動部が上下運動を行なうタイプにすることも、もちろん可能である。
【００６５】
図３（ａ）と（ｂ）に、固定電極側の構造を示す。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す矢視Ａにおける断面図を示す。トランジスタ１を形成するシリコン基板は、実施例１と同様に、ボロンを添加（ドープ）したＰ型シリコンである。このシリコン基板に上側の表層部に、リンをドープしてＮＰＮ型のトランジスタ領域を形成し、トランジスタ１となる。図３（ｂ）で左側のＮ層はソース端子２であり、右側のＮ層がドレイン端子３である。
【００６６】
トランジスタ１の上面には、実施例１と同様に、膜厚が約７０ｎｍの絶縁膜５と、膜厚が約０．５μｍの絶縁膜７に覆われた厚みが約０．３μｍのポリシリコンからなる誘電体６が、図３（ａ）に示される領域に設けられる。本実施例では、十分な静電引力が得られるように、実施例１よりも更に大きな面積が取られている。
【００６７】
絶縁膜７の上面でＮＰＮ型トランジスタを覆う位置に、ポリシリコンからなる制御用誘電体４０が設けられている。図３の実施例の場合、ポリシリコンの寸法は、厚み約５μｍで幅約５μｍである。
【００６８】
更に、図３（ｃ）に示すように、この固定電極の上に、ＳＯＩ板から作製される構造物１３が陽極接合される。この構造物１３には、回転ヒンジ４１で支えられた稼動部４２が設けられている。この回転ヒンジ４１と稼動部４２は、実施例１と同様に、ＳＯＩ板の絶縁層によって、構造物１３の下部及び固定電極とは絶縁されている。
【００６９】
ここで、この実施例２の動作を説明する。まず、トランジスタ１の下部のシリコン基板部分とソース２を接地する。また、回転ヒンジ４１と稼動部４２も接地する。次に、ドレイン３と制御誘電体４０に高電圧を印可する。
【００７０】
この電圧印可によって、ソース２からドレイン３に向かってチャンネル領域５を電子が高速で走る。ドレイン３の近傍で十分高いエネルギを得た電子（ｈｏｔ−ｅｌｅｃｔｒｏｎ）は、シリコン結晶格子により散乱され、絶縁膜６の界面で、トンネル効果により誘電体６中に注入される。
この注入された電荷により帯電した誘電体６と稼動部４２間に静電引力が働き、図３（ｄ）に示すように、稼動部４２は回転ヒンジ４１を回転軸として回転し、位置２に至る。この回転角度は、誘電体６に注入される電荷の量で制御することが可能である。注入される電荷の量は、印可する電圧の大きさ及び時間をコントロールすることによって、制御可能である。
【００７１】
ここで電圧の印可を止めても、帯電体６に蓄積された電荷は、絶縁膜５，７に覆われているため逃げることはないので、半永久的に稼動部４２との静電引力を保ち続ける。
すなわち、帯電体６に注入した電荷量を制御することで、任意の回転角度で稼動部４２の位置情報を書き込み保持することができる。
【００７２】
次に、この位置情報を消去する方法を示す。上述の状態から、ドレイン３をオープンにして、制御誘電体４０とトランジスタ１の下部のシリコン基板部分を接地する。ここで、ソース２に高電圧を印可すると、誘電体６中の電子がトンネル効果で、ドレイン３へ引っ張り出され、誘電体６は中性に戻る。
誘電体６と稼動部４２の間の静電引力はなくなるので、回転ヒンジ４１のバネ力によって、稼動部４２は、もとの位置１へ戻る。すなわち、位置情報の消去が行われる。
【００７３】
ここで、実施例２の保持機構を備える微小アクチュエータの製造方法を、簡単に説明する。
固定電極側の、ＮＰＮ型トランジスタ構造を有するトランジスタ１の上に絶縁膜５と絶縁膜７に覆われたポリシリコンからなる誘電体６を設ける方法は、実施例１と同様である。
更に、この絶縁膜７の上に、フォトレジストによって、このＮＰＮ型トランジスタ部分を覆う所定の位置に開口部を設ける。そして、ＣＶＤ法によって、この開口部に、ポリシリコンを蒸着させ、制御誘電体４０を設ける。
【００７４】
次に、稼動部側の構造物１３、回転ヒンジ４１、稼動部４２の製造方法を示す。基本的には、実施例１と同様であり、活性層厚さが２５μｍと２μｍの２層ＳＯＩ板を用いる。
このＳＯＩ板の２μｍの活性層上に、フォトレジストによって、除去する部分を開口として、回転ヒンジ４１と稼動部４２のパターンを描く。次に、ＩＣＰエッチング装置によって、フォトレジストの開口部は、ＳＯＩ板の絶縁層に達するまで、垂直にエッチングされる。
【００７５】
続いて、ＳＯＩ板の裏側（２５μｍ活性層側）から、回転ヒンジ４１と稼動部４２位置に相当し、それよりも若干大きめなエリアを、ＩＰＣエッチング装置で絶縁層に達するまで、垂直にエッチングして、柱部分３７を設ける。続いて、ＳＯＩ板の絶縁層のうち不要部分を、溶剤で溶かすと、稼動部４２が回転ヒンジ４１で支えられ中空に浮いた構造物１３が得られる。
【００７６】
以上のように、実施例２においても実施例１と同様に、製造コストも多くかけずに、安定して、本発明の保持機構を備える微小アクチュエータを製造することが可能である。
【００７７】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、更に様々な実施態様が考えられる。
【発明の効果】
【００７８】
従来の微小アクチュエータは、その稼働部を一定位置に保持する場合に、バネによる共振等の問題から位置の変動を起こす問題や、絶縁層を損傷する問題が発生していた。しかし、本発明の保持機構を備えた微小アクチュエータにおいては、稼働部を、変動なく一定の位置に保持することが可能であり、また、絶縁層を損傷する等の問題も発生しない。
【００７９】
更に、従来の微小アクチュエータは、電源を遮断すると、稼働部の位置を保持することはできないので、位置情報を保持する機能は有していなかった。しかし、本発明の保持機構を備えた微小アクチュエータにおいては、電源を遮断しても、稼動部の位置はそのまま保持されるため、微小アクチュエータにおいて、初めて、位置情報の保持が可能となった。
また、印可する電圧等をコントロールすることによって、帯電体に帯電させる電荷の量を制御し、稼働部の移動量を制御し、稼動部を任意の位置に保持することが可能である。
【００８０】
更に、従来の微小なアクチュエータを使用する場合においては、稼動部の位置を保持するために、電源を入れたままで使用しなければならない。仮に一台の微小アクチュエータの消費電力が小さくとも、例えばＤＷＤＭ通信システムの各波長に微小アクチュエータを使用すれば、１００以上必要となり、全体としては、稼動部の位置を保持するだけで、大きな電力消費となる。
しかし、本発明では、稼動部の位置を保持するためには、電力は全く消費せず、
つまり、消費電力は、保持情報の書き換えのときのみに発生し、保持時には消費電力は発生しないので、システムの運転コストは大幅に下がる。従って、経済的に大変大きなメリットがある。
【００８１】
更に、従来の微小なアクチュエータの場合には、稼動部を保持している電源が、停電等で切れた場合には、保持情報を維持できなくなる危険性がある。また、それを防ぐために、バックアップ電源等の余計なコストも必要となる。
しかし、本発明では、停電等にようる電源遮断が発生しても、位置情報の保持には全く影響を及ぼさないので、安全性の高いシステムを構築することが可能となる。
【００８２】
更に、本発明の製造方法によれば、低い製造コストで、安定して、保持機構を備える微小アクチュエータを製造することができるので、上記のＤＷＤＭ通信システム等、幅広く適用されることが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の保持機構を備えた微小アクチュエータの実施例１の構造と動作を示す図。
【図２】本発明の保持機構を備えた微小アクチュエータの製造方法を示す図。
【図３】本発明の保持機構を備えた微小アクチュエータの実施例２の構造と動作を示す図。
【符号の説明】
１ トランジスタ
２ ソース端子
３ ドレイン端子
４ チャネル
５ 絶縁膜
６ 帯電体
７ 絶縁膜
８ 稼動部
９ 板
１０ バネ
１１ 柱部分
１２ 絶縁層
１３ 構造物
２１ トランジスタ
２２ 帯電体
２３ トランジスタ
２４ 帯電体
２５ 板
２６ バネ
２７ 稼動部
２８ 構造物
３１ シリコン基板
３２ 絶縁膜
３３ 帯電体
３４ 絶縁膜
３５ 板
３６ バネ
３７ 柱部分
３８ 構造物
３９ 絶縁層
４０ 制御用帯電体
４１ 回転ヒンジ
４２ 稼動部
Claims (8)
- 表層部に、ソース端子と、ドレイン端子と、チャネルと、を備えたトランジスタと、
前記チャネルを含む前記トランジスタの表面に絶縁膜１を介して固定され、前記絶縁膜１に接する面の反対側の面に、前記絶縁層１と異なる膜厚を有する絶縁膜２を備えた少なくともひとつの帯電体と
前記帯電体から所定の距離をおいた位置１に配置され、前記トランジスタと絶縁された稼動部と、
を備え、
前記稼動部が、前記位置１から前記絶縁膜２に接触又は近接する位置２に移動し、
前記チャネルに電流を流し、前記ドレインと前記稼動部に電圧を印加して、前記チャネルからのトンネル電流によって前記帯電体を帯電させ、
該帯電によって前記帯電体と前記稼動部の間に発生する静電引力によって、前記稼動部が前記位置２に保持される保持機構を備えた微小アクチュエータ。 - 前記トランジスタが、ＮＰＮ型トランジスタである請求項１に記載の保持機構を備えた微小アクチュエータ。
- 前記トランジスタと前記稼動部との間に発生する静電引力によって、前記稼動部が前記位置１から前記位置２へ移動する請求項１または２に記載の保持機構を備えた微小アクチュエータ。
- 前記帯電体に帯電させる電荷の量を制御して、前記稼動部のの移動量を制御する請求項３に記載の保持機構を備えた微小アクチュエータ。
- 前記稼動部が、前記帯電体と前記稼動部の間の静電引力が除去されたときに、前記稼動部を前記位置２から前記位置１へ戻すバネを備えた請求項１から４のいずれか１項に記載の保持機構を備えた微小アクチュエータ。
- 前記絶縁膜１の膜厚が１０から１００ｎｍであり、前記絶縁膜２の厚さが０．１から１μｍである請求項１から５の何れか１項に記載の保持機構を備えた微小アクチュエータ。
- 前記帯電体の上に更に制御用誘電体が設けられた請求項１から６の何れか１項に記載の保持機構を備えた微小アクチュエータ。
- シリコン基板に、トランジスタとなるパターンを設けるフォトレジストを行った後、イオン打ち込みによってトランジスタを製造する工程１と、
前記トランジスタに、所定のエリアを開口とするフォトレジストを行った後、ＣＶＤ法よってＳｉＯ２膜を生成し、絶縁膜１を設ける工程２と、
前記トランジスタに、前記絶縁膜１よりも小さいエリアを開口とするフォトレジストを行った後、ＣＶＤ法によってポリシリコン膜を生成し、帯電体を設ける工程３と、
前記トランジスタに、前記絶縁膜１と同じエリアを開口とするフォトレジストを行った後、ＣＶＤ法によってＳｉＯ２膜を生成し、絶縁膜２を設ける工程４と、
ＳＯＩ板に、板とバネのパターンを設けるフォトレジストを行った後、前記ＳＯＩ板の絶縁層に達するまでエッチングを行って、前記板と前記バネを形成する工程５と、
前記ＳＯＩ板の反対側から、前記絶縁層に達するまでエッチングを行い、次に前記絶縁層を溶解して柱部分を形成し、構造物を製造する工程６と、
工程１から４によって製造された前記トランジスタと、工程５と６によって製造された前記構造物を融着させる工程７と、
を備える保持機構を備える微小アクチュエータの製造方法。
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|---|---|---|---|---|
| US7482728B2 (en) | 2004-11-08 | 2009-01-27 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Electrostatic actuator including a switching circuit which selectively sets one of a moving mode and first and second holding modes and driving method therefor |
-
2002
- 2002-11-11 JP JP2002327410A patent/JP4391076B2/ja not_active Expired - Fee Related
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