JP2004276200A - マイクロ構造体およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】櫛歯状の固定電極と可動電極の上下に発生する電界の不均一な分布を極力低減するように構成することにより、所望の振動周波数特性を安定して得ることができるマイクロ構造体およびその製造方法を提供する。
【解決手段】シリコン基板５０上に設けられ、少なくとも１組の櫛歯状の固定電極２２、３２と櫛歯状の可動電極２４、３４の櫛歯同士を噛み合わせて平面的に振動させるマイクロ構造体１０において、前記固定電極２４、３４と可動電極２４、３４の下方における前記シリコン基板５０に実質的に空間となる部分５３を設ける。
【選択図】 図１
【解決手段】シリコン基板５０上に設けられ、少なくとも１組の櫛歯状の固定電極２２、３２と櫛歯状の可動電極２４、３４の櫛歯同士を噛み合わせて平面的に振動させるマイクロ構造体１０において、前記固定電極２４、３４と可動電極２４、３４の下方における前記シリコン基板５０に実質的に空間となる部分５３を設ける。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン基板上に形成され、該基板面に平行な方向に振動するマイクロ構造体およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
かかる平面的な振動をするマイクロ構造体は、例えば時計、携帯電話機等において、マイクロレゾネータ（共振子）やマイクロフィルタなどとして使用される。その構造は、特許文献１、２に開示されているように、シリコン基板上に形成された固定電極と可動電極の櫛歯同士を該基板面に平行に噛み合わせ、櫛歯部を有する可動電極はシリコン基板上に支持されたバネ性を有する梁部に結合されており、このような、互いに噛み合う櫛歯状固定電極と櫛歯状可動電極を１組ずつ中間の梁部の両側に配置する構成となっている。そして、櫛歯状の固定電極、可動電極、および梁部はシリコン基板上に形成したポリシリコン膜を利用して形成されている。
【０００３】
【特許文献１】
米国特許第５０２５３４６号明細書（第３欄第３７行−第６欄第２行、第６欄第５５行−第７欄第５２行、図１−図４）
【特許文献２】
米国特許第５５３７０８３号明細書（第４欄第４３行−第１０欄第３３行、図４−図８）
【０００４】
このようなマイクロ構造体は、一方の櫛歯状の固定電極と接地電極との間に交流電圧を印加することにより、その櫛歯状の固定電極と可動電極との間に静電引力を発生させ、この静電引力により櫛歯状の可動電極を櫛歯の噛み合い方向（櫛歯の長さ方向）に平面的に引き押しすることによって振動させる。この振動は可動電極と一体化されたバネ性を持つ梁部すなわち共振部に伝達され、他方の同様に噛み合い状態にある櫛歯状の可動電極を平面的に振動させる。
入力側である一方の櫛歯状の固定電極と可動電極間で発生した振動が、両側の可動電極を含む共振部（梁部）に伝わることにより、共振部は共振現象を生じ、この共振周波数が出力側である他方の櫛歯状固定電極から取り出される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来のマイクロ構造体は、図３について後述するように櫛歯状の固定電極と可動電極の下方にシリコン基板のような大きな導体が存在するため、櫛歯状の電極の上面と下面には異なった電位分布（電気力線分布）が生じ電界分布が不均一になりやすい。その結果、櫛歯状の電極同士に働く静電引力は、本来的には櫛歯の噛み合い方向にのみ働くはずのものがそれ以外に櫛歯状可動電極を持ち上げるような力も発生し、シーソーのごとき振動現象を生起して所望の共振特性が得られなくなるなどの問題があった。
【０００６】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、櫛歯状の固定電極と可動電極の上下に発生する電界の不均一な分布を極力低減するように構成することにより、所望の振動周波数特性を安定して得ることができるマイクロ構造体およびその製造方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るマイクロ構造体は、シリコン基板上に設けられ、少なくとも１組の櫛歯状の固定電極と櫛歯状の可動電極の櫛歯同士を噛み合わせて平面的に振動させるマイクロ構造体において、
前記固定電極と可動電極の下方における前記シリコン基板に実質的に空間となる部分を設けたことを特徴としている。
【０００８】
このように構成することにより、櫛歯状の固定電極と可動電極の上下の空間はいずれも自由空間となる（上方はもともと自由空間である）。そのため、上下の電荷分布はほぼ均一となり、可動電極を持ち上げるような力は発生しない。
したがって、可動電極の上下方向の意図しない動きを防ぐことができ、所望の振動周波数特性を有するマイクロ構造体が得られる。
また、可動電極を駆動する静電引力は、本来の櫛歯の噛み合い方向にだけ働くので、駆動電力の無駄な消費が減少するため、効率が向上する。
なお、本発明のマイクロ構造体（ＭｉｃｒｏＥｒｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ：ＭＥＭＳ）は、平面的な振動を発生する構成であればよく、したがって、少なくとも１組の櫛歯状固定電極と櫛歯状可動電極を有する構成であればよい。
また、本発明におけるシリコン基板は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を含むものである。
【０００９】
本発明において、前記実質的な空間部とは、前記シリコン基板の反電極面側に設けられた凹部、または前記シリコン基板を上下に貫通するように設けられた開口部である。
この部分的な凹部または開口部は、後述するようにドライエッチングにより形成される。
シリコン基板の反電極面側に凹部を設けることにより、櫛歯状の固定電極と可動電極の下方には薄い絶縁膜が介在するだけであるので、その下方部分は実質的に自由空間となる。
また、シリコン基板を上下に貫通する開口部を設けた場合には、ほぼ完全な自由空間が形成される。
したがって、この凹部または開口部により、実質的に自由空間が形成されるので、上下の電界分布は均一となり、可動電極の上下方向の意図しない動きを防止することができる。
【００１０】
本発明の他の態様によるマイクロ構造体は、シリコン基板上に設けられ、少なくとも１組の櫛歯状の固定電極と櫛歯状の可動電極の櫛歯同士を噛み合わせて平面的に振動させるマイクロ構造体において、前記固定電極と可動電極の上下に対称に接地電極を設けたことを特徴とする。
固定電極と可動電極を間にして上下対称に接地電極を配設することにより、上下の力のバランスが常に保たれるので、可動電極の上下方向の意図しない動きを防止することができる。
また、外乱等により過大な駆動電圧や、外部からの過大な加速度が加わった場合でも、可動電極が接地電極に接触し櫛歯を破損するようなことは生じない。
【００１１】
この場合、本発明のマイクロ構造体は、凹部を設けた基板（例えば、ガラス基板）を前記シリコン基板に接合し、前記基板の凹部底面に他方の接地電極を設けることにより構成される。
ベースとなるシリコン基板には、固定電極および可動電極をつくる際に、その下方に一方の接地電極が形成されている。これらの接地電極はポリシリコン膜で形成することが好ましいが、ガラス基板側の接地電極は必ずしもこれに限定されるものではない。
【００１２】
また、本発明のさらに他の態様によるマイクロ構造体は、シリコン基板上に設けられ、少なくとも１組の櫛歯状の固定電極と櫛歯状の可動電極の櫛歯同士を噛み合わせて平面的に振動させるマイクロ構造体において、前記可動電極を駆動する駆動信号に同期する制御電極を前記固定電極のそれぞれの下方に配設したことを特徴とする。
固定電極の下方に設けられた制御電極によって、可動電極を駆動する駆動信号に同期して、ある倍率α＜１の電位を加えるようにする。これによって、櫛歯状電極（固定電極および可動電極）の下方における電界分布を制御することが可能になるので、可動電極の上下方向の意図しない動きを防止することができる。
【００１３】
また、本発明のマイクロ構造体においては、フレーム状の梁部の両側に前記可動電極を設け、該可動電極のそれぞれに前記固定電極を平面的に噛み合わせてなるものである。
本発明をマイクロレゾネータ（共振子）やマイクロフィルタ（例えば、ＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）フィルタ）等に適用する場合、２組の固定電極と可動電極を有する構成とされる。この場合、可動電極はフレーム状の梁部の両側に配置され、この２つの可動電極を含む梁部が共振部として構成される。したがって、梁部は共振部を構成するものであればよく、その形状は方形に限らず、円形や長円形、紡錘形等適宜の形状に構成することができる。
【００１４】
また、本発明をマイクロアクチュエータに適用する場合、本発明のマイクロ構造体は、前記可動電極を両端支持の梁に設け、該可動電極の櫛歯部と反対側にロッドを突設した構成とするものである。
このように構成することにより、平面的な振動を駆動源として、ロッドを作動させることができる。したがって、様々なマイクロマシンを構成することが可能となる。
【００１５】
本発明のマイクロ構造体の製造方法は、シリコン基板上に設けられ、少なくとも１組の櫛歯状の固定電極と櫛歯状の可動電極の櫛歯同士を噛み合わせて平面的に振動させるマイクロ構造体の製造方法において、
前記シリコン基板上にポリシリコン膜を形成する工程と、
前記固定電極と可動電極の下方における前記シリコン基板の反電極面側に凹部を形成する工程と
その後、前記ポリシリコン膜を所要数に分割することにより、前記固定電極と可動電極の各櫛歯を形成する工程と、
を有することを特徴とする。
【００１６】
前述したように本発明のマイクロ構造体は、櫛歯状電極の下方のシリコン基板に実質的な空間部を形成するものである。この空間部を構成する凹部を形成する場合において、該凹部をシリコン基板の反電極面側に形成してから、ポリシリコン膜を所要数に分割することにより、固定電極と可動電極の各櫛歯を形成することとするものである。
これは、先に櫛歯状電極の各櫛歯を形成してから凹部を形成すると、シリコン基板を裏返しにセットしなければならないので、櫛歯状電極を損傷するおそれが大きいからである。
【００１７】
また、開口部を設ける場合も同様の理由から、シリコン基板の部分を貫通する開口部を形成してから、ポリシリコン膜を所要数に分割することにより、固定電極と可動電極の各櫛歯を形成する。
また、凹部、開口部は、ドライエッチングにより形成される。ウェットエッチングでは櫛歯状電極を破壊することになるからである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１によるマイクロ構造体の平面図、図２は図１のＡ−Ａ線における断面図である。
このマイクロ構造体１０は、トランスバーサル型のＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ：弾性表面波素子）フィルタと同様な働きをするフィルタとして構成されている。
シリコン基板５０の表面に形成された酸化膜からなる絶縁膜５１上において、送信側ＩＤＴ（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）２０と受信側ＩＤＴ３０を両側に配置し、両者の中間部に共振部４０を配置している。送信側ＩＤＴ２０、受信側ＩＤＴ３０および共振部４０は、シリコン基板５０上に形成されたポリシリコン（ｐ−ＳｉＯ）膜を利用して形成される。
【００１９】
送信側ＩＤＴ２０および受信側ＩＤＴ３０はいずれも、それぞれ櫛歯部を有する固定電極２２、３２と可動電極２４、３４とからなっている。送信側ＩＤＴ２０の固定電極２２および受信側ＩＤＴ３０の固定電極３２は、それぞれ複数の櫛歯からなる櫛歯部２１、３１を有し、リード部２５、３５を介して入力端子電極２６、出力端子電極３６に接続されている。
共振部４０は、方形状のフレームからなる梁部４２と、この梁部４２の両側に櫛歯が外向きになるように一体的に形成され、固定電極２２、３２の櫛歯部２１、３１とそれぞれ噛み合うように設けられた櫛歯部２３、３３を有する可動電極２４、３４とから構成されている。
【００２０】
固定電極の櫛歯部２１、３１と可動電極の櫛歯部２３、３３とは、それぞれ複数の櫛歯が所定の平面上の隙間（櫛歯ギャップ）でもってシリコン基板５０の表面に平行に噛み合っている。
可動電極２４、３４が一体的に形成されたフレーム状の梁部４２は、このフレームに結合された片持ち梁４４を介して、支持部４６がシリコン基板５０上に固定される構造となっている。梁部４２の外形形状は前述のとおり、特に方形状に限定されるものではない。
【００２１】
そして、図２に示すように、梁部４２はシリコン基板５０の絶縁膜（酸化膜）５１上より基板面に平行に浮き上がった状態で支持されており、したがって、櫛歯状の固定電極２２、３２と可動電極２４、３４も同様に基板面に平行に浮き上がった状態で噛み合っている。櫛歯状電極の浮上高さすなわち、シリコン基板の絶縁膜３１との電極ギャップは２〜３μｍ程度である。なお、図１において、５２は入力端子電極２６と出力端子電極３６に共通の接地電極である。
【００２２】
この実施形態ではさらに、図２に示すように、櫛歯状の固定電極２２、３２と可動電極２４、３４の下方において、シリコン基板５０上の酸化膜である絶縁膜５１を残してシリコン基板５０の裏面側（反電極側）より基板部分を除去し、凹部５３を設けてなるものである。したがって、固定電極２２、３２と可動電極２４、３４の下方部分は、薄い絶縁膜５１が介在するだけで空間の凹部５３が設けられているため、実質的に自由空間に開放されている。これら両電極の上部空間はもともと自由空間であるから、これにより両電極は上下共に実質的に自由空間の中に置かれることになる。
【００２３】
図３（ａ）は図２のＢ−Ｂ線における拡大断面図であり、例示的に送信側の１つの櫛歯状可動電極２４とその両側に噛み合い状態に配置される２つの櫛歯状固定電極２２を取り上げ、両電極間に生じる電界の分布状態を模式的に示したものである。
受信側の櫛歯状可動電極３４と櫛歯状固定電極３２との関係も図３（ａ）と同様の電界分布状態にある。したがって、以降の説明では一方の固定電極２２と可動電極２４との関係について説明する。
図３（ｂ）は、比較のため、従来例の場合における櫛歯状可動電極２４と櫛歯状固定電極２２間の電界分布状態を模式的に示したものである。
【００２４】
一般的に、例えばマイクロレゾネータを設計する場合、櫛歯状固定電極２２の入力端子電極２６と接地電極５２間に交流電圧を印加することにより、櫛歯状の固定電極２２と可動電極２４の櫛歯相互間に静電引力を発生させ、これによって可動電極２４を櫛歯の噛み合い方向（櫛歯の長さ方向、すなわち図３の紙面の表裏方向）にバネ性を持つ梁部４２を介して引き押しさせることで振動させるように設計する。共振周波数あるいは発振周波数は、可動電極２４を含む共振部４０の質量と梁部４２のバネ定数で定まる変位に対する復元力（梁部４２の弾性力）によって定まる。発振周波数は、例えば、１６ｋＨｚ、３２ｋＨｚ、７２ｋＨｚなどが設計目標値としてあげられる。
【００２５】
しかしながら、従来例の場合、これら両方の電極２２、２４の下方には実質的に接地されているシリコン基板５０が存在するため、図３（ｂ）に示すように、大きな導体であるシリコン基板５０の影響を受けて電極上下の電気力線の密度が異なってくる。そのため、電界の分布が電極の上下の空間で不均一になる。したがってこの場合、可動電極２４に働く静電引力が本来必要な方向（この場合、図３の紙面の表裏方向）よりも可動電極２４をシリコン基板５０から離れる方向に持ち上げる力Ｐが支配的になる。こうなると、本来の共振子としての有効な駆動力が得られなくなり、寄生振動が生じたり、場合によっては動作不能になる。
【００２６】
一方、この実施形態では、電極２２、２４の下方にシリコン基板部分を除去して形成された凹部５３を設けているため、図３（ａ）に示すように、電極２２、２４の上下には実質的に自由空間が形成されている。そのため、電極２２、２４の上下の空間に上下対称な電界分布が形成されることになる。
したがって、可動電極２４を持ち上げる力がなくなるため、設計目標通りの共振周波数特性をもつマイクロ構造体を得ることができる。また、可動電極２４を上方向に持ち上げる力を生じないので、駆動電力の無駄な消費を低減することができるため、駆動効率が向上する。
【００２７】
実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２によるマイクロ構造体の断面図で、図２に対応するものである。図５は図４のＣ−Ｃ線における拡大断面図である。
この実施形態は、図２に示した凹部５３をさらに深くし、その部分の絶縁膜５１を部分的に除去して上下に貫通する開口部５４としたものである。
このような、シリコン基板５０を上下に貫通する開口部５４を、噛み合い状態にある固定電極２２と可動電極２４の下方に設けることによって、両電極２２、２４の下方部分に実質的に完全な自由空間を形成する。そのため、両電極２２、２４は上下共にほぼ完全な自由空間の中に置かれることになるため、図５に示すように、両電極２２、２４間の電界分布は、前記第１の実施形態に比べて、より均一なものとなる。
したがって、この実施形態によれば、第１の実施形態よりも優れた共振周波数特性をもち、かつより効率的なマイクロ構造体を得ることができる。
【００２８】
実施の形態３．
図６は本発明の実施の形態３によるマイクロ構造体の断面図で、噛み合い状態にある櫛歯状の固定電極２２と可動電極２４の櫛歯部分の断面図である。
この実施形態は、櫛歯状の固定電極２２と可動電極２４の上下に対称に可動電極２４と同電位の接地電極２７、２８を配設したものである。すなわち、櫛歯状電極２２、２４と下側の接地電極２７間の間隙Ｇ１と櫛歯状電極２２、２４と上側の接地電極２８間の間隙Ｇ２とがほぼ等しくなるように構成するものである。
ここでは、櫛歯状の固定電極２２と可動電極２４は、前述のようにベースとなるシリコン基板５０上に浮いた状態で形成されており、このシリコン基板５０の上面に、固定電極２２と可動電極２４の下方において櫛歯に直角の方向に延びる下側接地電極２７を形成する。この下側接地電極２７は、櫛歯状電極２２、２４と同様、ポリシリコン膜で形成される。
【００２９】
一方、下側のシリコン基板５０に対向する上側の蓋基板６０は、例えばガラス基板、あるいはプラスチック基板等からなり、エッチングや成形等により凹部６１を形成する。この凹部６１の底面（図６では天井面）に、下側接地電極２７と同様の上側接地電極２８を上下対称に形成する。なお、上側接地電極２８の材料は下側接地電極２７と同じでなくてもよい。
そして、あらかじめ凹部５１内に上側接地電極２８を形成した上側の蓋基板６０をシリコン基板５０に接着や直接接合等により接合することにより、密封されたマイクロ構造体１２がつくられる。このマイクロ構造体１２の内部はレゾネータの動作安定のため真空にすることが好ましい。
【００３０】
この実施形態によれば、固定電極２２と可動電極２４の上下に対称に配設した接地電極２７、２８によって、櫛歯状電極２２、２４の上下の空間で上下対称な電界分布が形成されるとともに、上下の力のバランスが保たれている。そのため、可動電極２４は常に中立位置を保ちつつ櫛歯の噛み合い方向（図６の紙面の表裏方向）に振動する。
また、外乱等により過大な駆動電圧が固定電極２２にかかった場合でも、可動電極２４に働く静電引力は上下対称な接地電極２７、２８によって常に上下の力のバランスが保たれているため、可動電極２４がいずれか一方の接地電極に接触しショートしてその櫛歯が破損するようなことは生じない。したがって、可動電極２４の動作（振動）の安定性、信頼性が向上する。
また、前述のように凹部５３や開口部５４を基板部分に設ける構造ではないので、強度面でも心配のない構造である。
【００３１】
実施の形態４．
図７は本発明の実施の形態４を示すマイクロ構造体の断面図で、同じく噛み合い状態にある櫛歯状の固定電極２２と可動電極２４の櫛歯部分の断面図である。前述したように、櫛歯状の固定電極２２と可動電極２４の上下における電界分布が等しくなるようにすれば、可動電極２４の上下方向の意図しない（望ましくない）運動を防ぐことができる。
この目的を達成するために、このマイクロ構造体１４は、櫛歯状の固定電極２２と可動電極２４の下方において、両電極２２、２４とほぼ同一の櫛歯パターンで、固定電極２２の下には電位補償用の制御電極７１を、可動電極２４の下には接地電極７２を、ポリシリコン膜により交互に絶縁膜５１上に形成したものである。すなわち、図６に示した下側の接地電極２７を櫛歯状電極２２、２４の櫛歯パターンに対応して分割し、固定電極２２の下方の電極を制御電極７１としたものである。
なお、制御電極７１および接地電極７２は、櫛歯状電極２２、２４とほぼ同一の幅ｂで形成されているが、これに限定されるものではない。制御電極７１は多少幅広く形成してもよい。また、制御電極７１および接地電極７２の高さｈは製造プロセス上、同じ高さとなっている。
【００３２】
図８は実施の形態４における制御回路図である。固定電極２２は可動電極２４を駆動するための駆動電源７３に接続されており、可動電極２４および接地電極７２はアースに接続し、さらに制御電極７１は駆動電源７３の信号と同期するように増幅器７４を介して駆動電源７３に接続されている。
この制御回路により、固定電極２２の下方の制御電極７１に、可動電極２４の駆動電圧（固定電極２２への印加電圧）と同期して、増幅器７４により設定された、ある倍率α＜１（例えば、駆動電圧の２０％）の電位を与える。これによって、櫛歯状電極２２、２４の下方における電界分布を制御することができるので、可動電極２４の上下方向の意図しない動きを防ぐことができる。
【００３３】
実施の形態５．
図９は本発明の実施の形態５を示すマイクロ構造体の平面図で、マイクロアクチュエータとして構成した例を示すものである。
このマイクロ構造体１６は、１組の櫛歯状電極２２、２４を備えた構成となっている。すなわち、櫛歯状の固定電極２２と可動電極２４は、前述のように、シリコン基板５０上より浮き上がった状態で櫛歯部２１、２３同士が平面的に噛み合っている。ここでは、櫛歯状可動電極２４は、両端支持の梁４７の中央部に一体的に形成されており、さらにロッド４８が櫛歯部２３と反対側に突設されている。
また、櫛歯状電極２２、２４の下方のシリコン基板５０には、図２と同様に、反電極側（下面側）に凹部５３が形成されている。また、図４に示したように、シリコン基板５０を上下に貫通する開口部としてもよい。なお、図９において、２５はリード部、２６は入力端子電極、４５は接地電極、４９は梁４７の支持部である。
【００３４】
このマイクロ構造体１６の動作は基本的に前述したとおりであり、櫛歯状の固定電極２２に駆動電圧を印加することにより固定電極２２と可動電極２４間に静電引力を発生させ、この静電引力によって両持ち式の梁４７に取り付けられた可動電極２４を振動させる。可動電極２４にはロッド４８が取り付けられているので、ロッド４８を往復運動させることができる。
したがって、このロッド４８に直接、または適当なリンク等を介して機能素子あるいは受動素子を連結すれば、例えば反射ミラーやレバーを動かすようなマイクロマシンをつくることができる。
また、可動電極２４の櫛歯の位置、すなわちロッド４８の変位は、駆動電圧の２乗に比例するので、センサやスイッチ等の機能を持たせることも可能となる。
【００３５】
実施の形態６．
次に、前述したマイクロ構造体の主に櫛歯状電極２２、２４の製造方法について図１０乃至図１３を参照しながら説明する。
まず、厚さ約５００μｍ程度の両面研磨されたシリコン基板８０の表面に、減圧気相成長（減圧ＣＶＤ）法により、厚さ０．５μｍの酸化膜（ＳｉＯ２）８１、およびその上に厚さ０．２μｍの窒化膜（ＳｉＮ４）８２をこの順に形成する（図１０（ａ））。なお、シリコン基板８０の代わりに、ＳＯＩ基板を用いてもよい。
【００３６】
次に、上記窒化膜８２の上に、減圧ＣＶＤ法により導電体となる厚さ０．２μｍのポリシリコン（ｐ−ＳｉＯ）膜８３を形成し、そのポリシリコン膜８３にフォトレジスト（図示せず）のパターニングを施した後、フレオンガス（ＣＦ４）などによるドライエッチングにより窓部８４を開ける（図１０（ｂ））。
ついで、そのポリシリコン膜８３上にリンガラス（ＰＳＧ）の犠牲層８５を２μｍの厚さに減圧ＣＶＤ法で形成する（図１０（ｃ））。
さらに、その犠牲層８５にレジストパターニングおよびウェットエッチングを施し、上記ポリシリコン膜８３の第１電極部８３ａ上に窓部８６を形成する（図１０（ｄ））。
ポリシリコン膜８３の第２電極部８３ｂは、図６に示した下側接地電極２７、あるいは図７に示した制御電極７１および接地電極７２を形成するための電極となる。なお、図７の制御電極７１および接地電極７２を形成するためには、犠牲層８５を施す前に、あらかじめレジストパターニングおよびウェットエッチングにより、ポリシリコン膜８３を櫛歯状電極２２、２４の各櫛歯の数と同じに分割しておく。
【００３７】
そして、この犠牲層８５上に、減圧ＣＶＤ法により櫛歯状電極２２、２４を構成することになる厚さ２μｍのポリシリコン膜８７を形成し、さらにそのポリシリコン膜８７上に厚さ０．３μｍのＰＳＧの犠牲層８８を形成する（図１１（ｅ））。
ついで、その犠牲層８８およびシリコン基板８０の下面にフォトレジスト８９、９０を施し（図１１（ｆ））、その後、このシリコン基板８０を裏返しにして、フレオンガス（ＣＦ４）によるドライエッチングにより、図１および図２に示した凹部５３をシリコン基板８０の裏面側に形成する（図１１（ｇ））。
このドライエッチングにより、部分的に基板部分が除去され、櫛歯状電極２２、２４の下方には酸化膜８１と窒化膜８２の部分だけが残る。
【００３８】
さらに、図４に示したように、上下に貫通する開口部５４とするためには、引き続きドライエッチングを行うことにより、まず酸化膜８１を除去し（図１３（ｇ−１））、その後窒化膜８２を除去する（図１３（ｇ−２））。
【００３９】
そして、フッ酸水溶液のウェットエッチングにより、パターニングされたフォトレジスト８９を通じて犠牲層８８をエッチングし、さらに犠牲層８８をマスクとしてポリシリコン膜８７をドライエッチングしていき（図１２（ｈ））、その後、フォトレジスト８９および９０、犠牲層８８および８５を除去する（図１２（ｉ））。また、基板全体を適切な温度で熱処理（エージング）する。
このようにして、図１２（ｉ）においては、ポリシリコン膜８７による櫛歯状電極２２、２４と、その電極下方における窒化膜８２上のポリシリコン膜８３による接地電極２７（図６参照）、および酸化膜８１下の凹部５３（図２参照）が形成される。
【００４０】
この製造方法によれば、凹部５３（または開口部５４）をシリコン基板８０の反電極面側にドライエッチングで形成してから、ポリシリコン膜８３を所要数に分割することにより、固定電極２２と可動電極２４の各櫛歯を形成するものであるので、櫛歯状電極２２、２４を損傷させることがない。
【００４１】
以上の実施形態で示したマイクロ構造体１０、１２、１４、１６は、可動電極２４の上下方向の意図しない（望ましくない）動きを防止し、本来の平面内の振動に規制する手段を設けたものである。したがって、本発明のマイクロ構造体は、かかる振動規制手段によって構成されているものと解すべきものである。
また、本発明のマイクロ構造体は、櫛歯状の固定電極と可動電極の平面的な振動を発生させるものであれば、その用途に限定されるものではない。例えば、時計、携帯電話機、パソコン、情報端末機器（ＰＤＡ）、家電製品、音響機器、その他の電子機器等、多方面に利用することができる。
また、ＩＣ等の半導体素子と一体的に結合することによりモノリシック化された電子マイクロデバイス（ＲＦ回路、局部発振回路、フィルタ回路等）としても本発明のマイクロ構造体を利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１によるマイクロ構造体の平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。
【図３】図２のＢ−Ｂ線断面図で、電界分布状態の従来例との比較図。
【図４】本発明の実施の形態２によるマイクロ構造体の断面図。
【図５】図４のＣ−Ｃ線断面図。
【図６】本発明の実施の形態３によるマイクロ構造体の断面図。
【図７】本発明の実施の形態４によるマイクロ構造体の断面図。
【図８】実施の形態４における制御回路図。
【図９】本発明の実施の形態５によるマイクロ構造体の平面図。
【図１０】本発明のマイクロ構造体の製造方法を示す工程図。
【図１１】図１０に続く工程図。
【図１２】図１１に続く工程図。
【図１３】図１１（ｇ）に続く工程図。
【符号の説明】
１０、１２、１４、１６ マイクロ構造体、２０ 送信側ＩＤＴ、２１ 櫛歯部、２２ 櫛歯状固定電極、２３ 櫛歯部、２４ 櫛歯状可動電極、２５ リード部、２６ 入力端子電極、２７ 下側接地電極、２８ 上側接地電極、３０ 受信側ＩＤＴ、３１ 櫛歯部、３２ 櫛歯状固定電極、３３ 櫛歯部、３４ 櫛歯状可動電極、３５ リード部、３６ 出力端子電極、４０ 共振部、４２ 梁部、４４ 片持ち梁、４５ 接地電極、４６ 支持部、４７ 梁、４８ ロッド、４９ 支持部、５０ シリコン基板、５１ 絶縁膜、５２ 接地電極、５３ 凹部、５４ 開口部、６０ 蓋基板、６１ 凹部、７１ 制御電極、７２ 接地電極、７３ 駆動電源、７４ 増幅器、８０ シリコン基板、８１ 酸化膜、８２ 窒化膜、８３ ポリシリコン膜、８３ａ 第１電極部、８３ｂ 第２電極、８４ 窓部、８５ 犠牲層、８６ 窓部、８７ ポリシリコン膜、８８ 犠牲層、８９、９０ フォトレジスト
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン基板上に形成され、該基板面に平行な方向に振動するマイクロ構造体およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
かかる平面的な振動をするマイクロ構造体は、例えば時計、携帯電話機等において、マイクロレゾネータ（共振子）やマイクロフィルタなどとして使用される。その構造は、特許文献１、２に開示されているように、シリコン基板上に形成された固定電極と可動電極の櫛歯同士を該基板面に平行に噛み合わせ、櫛歯部を有する可動電極はシリコン基板上に支持されたバネ性を有する梁部に結合されており、このような、互いに噛み合う櫛歯状固定電極と櫛歯状可動電極を１組ずつ中間の梁部の両側に配置する構成となっている。そして、櫛歯状の固定電極、可動電極、および梁部はシリコン基板上に形成したポリシリコン膜を利用して形成されている。
【０００３】
【特許文献１】
米国特許第５０２５３４６号明細書（第３欄第３７行−第６欄第２行、第６欄第５５行−第７欄第５２行、図１−図４）
【特許文献２】
米国特許第５５３７０８３号明細書（第４欄第４３行−第１０欄第３３行、図４−図８）
【０００４】
このようなマイクロ構造体は、一方の櫛歯状の固定電極と接地電極との間に交流電圧を印加することにより、その櫛歯状の固定電極と可動電極との間に静電引力を発生させ、この静電引力により櫛歯状の可動電極を櫛歯の噛み合い方向（櫛歯の長さ方向）に平面的に引き押しすることによって振動させる。この振動は可動電極と一体化されたバネ性を持つ梁部すなわち共振部に伝達され、他方の同様に噛み合い状態にある櫛歯状の可動電極を平面的に振動させる。
入力側である一方の櫛歯状の固定電極と可動電極間で発生した振動が、両側の可動電極を含む共振部（梁部）に伝わることにより、共振部は共振現象を生じ、この共振周波数が出力側である他方の櫛歯状固定電極から取り出される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来のマイクロ構造体は、図３について後述するように櫛歯状の固定電極と可動電極の下方にシリコン基板のような大きな導体が存在するため、櫛歯状の電極の上面と下面には異なった電位分布（電気力線分布）が生じ電界分布が不均一になりやすい。その結果、櫛歯状の電極同士に働く静電引力は、本来的には櫛歯の噛み合い方向にのみ働くはずのものがそれ以外に櫛歯状可動電極を持ち上げるような力も発生し、シーソーのごとき振動現象を生起して所望の共振特性が得られなくなるなどの問題があった。
【０００６】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、櫛歯状の固定電極と可動電極の上下に発生する電界の不均一な分布を極力低減するように構成することにより、所望の振動周波数特性を安定して得ることができるマイクロ構造体およびその製造方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るマイクロ構造体は、シリコン基板上に設けられ、少なくとも１組の櫛歯状の固定電極と櫛歯状の可動電極の櫛歯同士を噛み合わせて平面的に振動させるマイクロ構造体において、
前記固定電極と可動電極の下方における前記シリコン基板に実質的に空間となる部分を設けたことを特徴としている。
【０００８】
このように構成することにより、櫛歯状の固定電極と可動電極の上下の空間はいずれも自由空間となる（上方はもともと自由空間である）。そのため、上下の電荷分布はほぼ均一となり、可動電極を持ち上げるような力は発生しない。
したがって、可動電極の上下方向の意図しない動きを防ぐことができ、所望の振動周波数特性を有するマイクロ構造体が得られる。
また、可動電極を駆動する静電引力は、本来の櫛歯の噛み合い方向にだけ働くので、駆動電力の無駄な消費が減少するため、効率が向上する。
なお、本発明のマイクロ構造体（ＭｉｃｒｏＥｒｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ：ＭＥＭＳ）は、平面的な振動を発生する構成であればよく、したがって、少なくとも１組の櫛歯状固定電極と櫛歯状可動電極を有する構成であればよい。
また、本発明におけるシリコン基板は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を含むものである。
【０００９】
本発明において、前記実質的な空間部とは、前記シリコン基板の反電極面側に設けられた凹部、または前記シリコン基板を上下に貫通するように設けられた開口部である。
この部分的な凹部または開口部は、後述するようにドライエッチングにより形成される。
シリコン基板の反電極面側に凹部を設けることにより、櫛歯状の固定電極と可動電極の下方には薄い絶縁膜が介在するだけであるので、その下方部分は実質的に自由空間となる。
また、シリコン基板を上下に貫通する開口部を設けた場合には、ほぼ完全な自由空間が形成される。
したがって、この凹部または開口部により、実質的に自由空間が形成されるので、上下の電界分布は均一となり、可動電極の上下方向の意図しない動きを防止することができる。
【００１０】
本発明の他の態様によるマイクロ構造体は、シリコン基板上に設けられ、少なくとも１組の櫛歯状の固定電極と櫛歯状の可動電極の櫛歯同士を噛み合わせて平面的に振動させるマイクロ構造体において、前記固定電極と可動電極の上下に対称に接地電極を設けたことを特徴とする。
固定電極と可動電極を間にして上下対称に接地電極を配設することにより、上下の力のバランスが常に保たれるので、可動電極の上下方向の意図しない動きを防止することができる。
また、外乱等により過大な駆動電圧や、外部からの過大な加速度が加わった場合でも、可動電極が接地電極に接触し櫛歯を破損するようなことは生じない。
【００１１】
この場合、本発明のマイクロ構造体は、凹部を設けた基板（例えば、ガラス基板）を前記シリコン基板に接合し、前記基板の凹部底面に他方の接地電極を設けることにより構成される。
ベースとなるシリコン基板には、固定電極および可動電極をつくる際に、その下方に一方の接地電極が形成されている。これらの接地電極はポリシリコン膜で形成することが好ましいが、ガラス基板側の接地電極は必ずしもこれに限定されるものではない。
【００１２】
また、本発明のさらに他の態様によるマイクロ構造体は、シリコン基板上に設けられ、少なくとも１組の櫛歯状の固定電極と櫛歯状の可動電極の櫛歯同士を噛み合わせて平面的に振動させるマイクロ構造体において、前記可動電極を駆動する駆動信号に同期する制御電極を前記固定電極のそれぞれの下方に配設したことを特徴とする。
固定電極の下方に設けられた制御電極によって、可動電極を駆動する駆動信号に同期して、ある倍率α＜１の電位を加えるようにする。これによって、櫛歯状電極（固定電極および可動電極）の下方における電界分布を制御することが可能になるので、可動電極の上下方向の意図しない動きを防止することができる。
【００１３】
また、本発明のマイクロ構造体においては、フレーム状の梁部の両側に前記可動電極を設け、該可動電極のそれぞれに前記固定電極を平面的に噛み合わせてなるものである。
本発明をマイクロレゾネータ（共振子）やマイクロフィルタ（例えば、ＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）フィルタ）等に適用する場合、２組の固定電極と可動電極を有する構成とされる。この場合、可動電極はフレーム状の梁部の両側に配置され、この２つの可動電極を含む梁部が共振部として構成される。したがって、梁部は共振部を構成するものであればよく、その形状は方形に限らず、円形や長円形、紡錘形等適宜の形状に構成することができる。
【００１４】
また、本発明をマイクロアクチュエータに適用する場合、本発明のマイクロ構造体は、前記可動電極を両端支持の梁に設け、該可動電極の櫛歯部と反対側にロッドを突設した構成とするものである。
このように構成することにより、平面的な振動を駆動源として、ロッドを作動させることができる。したがって、様々なマイクロマシンを構成することが可能となる。
【００１５】
本発明のマイクロ構造体の製造方法は、シリコン基板上に設けられ、少なくとも１組の櫛歯状の固定電極と櫛歯状の可動電極の櫛歯同士を噛み合わせて平面的に振動させるマイクロ構造体の製造方法において、
前記シリコン基板上にポリシリコン膜を形成する工程と、
前記固定電極と可動電極の下方における前記シリコン基板の反電極面側に凹部を形成する工程と
その後、前記ポリシリコン膜を所要数に分割することにより、前記固定電極と可動電極の各櫛歯を形成する工程と、
を有することを特徴とする。
【００１６】
前述したように本発明のマイクロ構造体は、櫛歯状電極の下方のシリコン基板に実質的な空間部を形成するものである。この空間部を構成する凹部を形成する場合において、該凹部をシリコン基板の反電極面側に形成してから、ポリシリコン膜を所要数に分割することにより、固定電極と可動電極の各櫛歯を形成することとするものである。
これは、先に櫛歯状電極の各櫛歯を形成してから凹部を形成すると、シリコン基板を裏返しにセットしなければならないので、櫛歯状電極を損傷するおそれが大きいからである。
【００１７】
また、開口部を設ける場合も同様の理由から、シリコン基板の部分を貫通する開口部を形成してから、ポリシリコン膜を所要数に分割することにより、固定電極と可動電極の各櫛歯を形成する。
また、凹部、開口部は、ドライエッチングにより形成される。ウェットエッチングでは櫛歯状電極を破壊することになるからである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１によるマイクロ構造体の平面図、図２は図１のＡ−Ａ線における断面図である。
このマイクロ構造体１０は、トランスバーサル型のＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ：弾性表面波素子）フィルタと同様な働きをするフィルタとして構成されている。
シリコン基板５０の表面に形成された酸化膜からなる絶縁膜５１上において、送信側ＩＤＴ（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）２０と受信側ＩＤＴ３０を両側に配置し、両者の中間部に共振部４０を配置している。送信側ＩＤＴ２０、受信側ＩＤＴ３０および共振部４０は、シリコン基板５０上に形成されたポリシリコン（ｐ−ＳｉＯ）膜を利用して形成される。
【００１９】
送信側ＩＤＴ２０および受信側ＩＤＴ３０はいずれも、それぞれ櫛歯部を有する固定電極２２、３２と可動電極２４、３４とからなっている。送信側ＩＤＴ２０の固定電極２２および受信側ＩＤＴ３０の固定電極３２は、それぞれ複数の櫛歯からなる櫛歯部２１、３１を有し、リード部２５、３５を介して入力端子電極２６、出力端子電極３６に接続されている。
共振部４０は、方形状のフレームからなる梁部４２と、この梁部４２の両側に櫛歯が外向きになるように一体的に形成され、固定電極２２、３２の櫛歯部２１、３１とそれぞれ噛み合うように設けられた櫛歯部２３、３３を有する可動電極２４、３４とから構成されている。
【００２０】
固定電極の櫛歯部２１、３１と可動電極の櫛歯部２３、３３とは、それぞれ複数の櫛歯が所定の平面上の隙間（櫛歯ギャップ）でもってシリコン基板５０の表面に平行に噛み合っている。
可動電極２４、３４が一体的に形成されたフレーム状の梁部４２は、このフレームに結合された片持ち梁４４を介して、支持部４６がシリコン基板５０上に固定される構造となっている。梁部４２の外形形状は前述のとおり、特に方形状に限定されるものではない。
【００２１】
そして、図２に示すように、梁部４２はシリコン基板５０の絶縁膜（酸化膜）５１上より基板面に平行に浮き上がった状態で支持されており、したがって、櫛歯状の固定電極２２、３２と可動電極２４、３４も同様に基板面に平行に浮き上がった状態で噛み合っている。櫛歯状電極の浮上高さすなわち、シリコン基板の絶縁膜３１との電極ギャップは２〜３μｍ程度である。なお、図１において、５２は入力端子電極２６と出力端子電極３６に共通の接地電極である。
【００２２】
この実施形態ではさらに、図２に示すように、櫛歯状の固定電極２２、３２と可動電極２４、３４の下方において、シリコン基板５０上の酸化膜である絶縁膜５１を残してシリコン基板５０の裏面側（反電極側）より基板部分を除去し、凹部５３を設けてなるものである。したがって、固定電極２２、３２と可動電極２４、３４の下方部分は、薄い絶縁膜５１が介在するだけで空間の凹部５３が設けられているため、実質的に自由空間に開放されている。これら両電極の上部空間はもともと自由空間であるから、これにより両電極は上下共に実質的に自由空間の中に置かれることになる。
【００２３】
図３（ａ）は図２のＢ−Ｂ線における拡大断面図であり、例示的に送信側の１つの櫛歯状可動電極２４とその両側に噛み合い状態に配置される２つの櫛歯状固定電極２２を取り上げ、両電極間に生じる電界の分布状態を模式的に示したものである。
受信側の櫛歯状可動電極３４と櫛歯状固定電極３２との関係も図３（ａ）と同様の電界分布状態にある。したがって、以降の説明では一方の固定電極２２と可動電極２４との関係について説明する。
図３（ｂ）は、比較のため、従来例の場合における櫛歯状可動電極２４と櫛歯状固定電極２２間の電界分布状態を模式的に示したものである。
【００２４】
一般的に、例えばマイクロレゾネータを設計する場合、櫛歯状固定電極２２の入力端子電極２６と接地電極５２間に交流電圧を印加することにより、櫛歯状の固定電極２２と可動電極２４の櫛歯相互間に静電引力を発生させ、これによって可動電極２４を櫛歯の噛み合い方向（櫛歯の長さ方向、すなわち図３の紙面の表裏方向）にバネ性を持つ梁部４２を介して引き押しさせることで振動させるように設計する。共振周波数あるいは発振周波数は、可動電極２４を含む共振部４０の質量と梁部４２のバネ定数で定まる変位に対する復元力（梁部４２の弾性力）によって定まる。発振周波数は、例えば、１６ｋＨｚ、３２ｋＨｚ、７２ｋＨｚなどが設計目標値としてあげられる。
【００２５】
しかしながら、従来例の場合、これら両方の電極２２、２４の下方には実質的に接地されているシリコン基板５０が存在するため、図３（ｂ）に示すように、大きな導体であるシリコン基板５０の影響を受けて電極上下の電気力線の密度が異なってくる。そのため、電界の分布が電極の上下の空間で不均一になる。したがってこの場合、可動電極２４に働く静電引力が本来必要な方向（この場合、図３の紙面の表裏方向）よりも可動電極２４をシリコン基板５０から離れる方向に持ち上げる力Ｐが支配的になる。こうなると、本来の共振子としての有効な駆動力が得られなくなり、寄生振動が生じたり、場合によっては動作不能になる。
【００２６】
一方、この実施形態では、電極２２、２４の下方にシリコン基板部分を除去して形成された凹部５３を設けているため、図３（ａ）に示すように、電極２２、２４の上下には実質的に自由空間が形成されている。そのため、電極２２、２４の上下の空間に上下対称な電界分布が形成されることになる。
したがって、可動電極２４を持ち上げる力がなくなるため、設計目標通りの共振周波数特性をもつマイクロ構造体を得ることができる。また、可動電極２４を上方向に持ち上げる力を生じないので、駆動電力の無駄な消費を低減することができるため、駆動効率が向上する。
【００２７】
実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２によるマイクロ構造体の断面図で、図２に対応するものである。図５は図４のＣ−Ｃ線における拡大断面図である。
この実施形態は、図２に示した凹部５３をさらに深くし、その部分の絶縁膜５１を部分的に除去して上下に貫通する開口部５４としたものである。
このような、シリコン基板５０を上下に貫通する開口部５４を、噛み合い状態にある固定電極２２と可動電極２４の下方に設けることによって、両電極２２、２４の下方部分に実質的に完全な自由空間を形成する。そのため、両電極２２、２４は上下共にほぼ完全な自由空間の中に置かれることになるため、図５に示すように、両電極２２、２４間の電界分布は、前記第１の実施形態に比べて、より均一なものとなる。
したがって、この実施形態によれば、第１の実施形態よりも優れた共振周波数特性をもち、かつより効率的なマイクロ構造体を得ることができる。
【００２８】
実施の形態３．
図６は本発明の実施の形態３によるマイクロ構造体の断面図で、噛み合い状態にある櫛歯状の固定電極２２と可動電極２４の櫛歯部分の断面図である。
この実施形態は、櫛歯状の固定電極２２と可動電極２４の上下に対称に可動電極２４と同電位の接地電極２７、２８を配設したものである。すなわち、櫛歯状電極２２、２４と下側の接地電極２７間の間隙Ｇ１と櫛歯状電極２２、２４と上側の接地電極２８間の間隙Ｇ２とがほぼ等しくなるように構成するものである。
ここでは、櫛歯状の固定電極２２と可動電極２４は、前述のようにベースとなるシリコン基板５０上に浮いた状態で形成されており、このシリコン基板５０の上面に、固定電極２２と可動電極２４の下方において櫛歯に直角の方向に延びる下側接地電極２７を形成する。この下側接地電極２７は、櫛歯状電極２２、２４と同様、ポリシリコン膜で形成される。
【００２９】
一方、下側のシリコン基板５０に対向する上側の蓋基板６０は、例えばガラス基板、あるいはプラスチック基板等からなり、エッチングや成形等により凹部６１を形成する。この凹部６１の底面（図６では天井面）に、下側接地電極２７と同様の上側接地電極２８を上下対称に形成する。なお、上側接地電極２８の材料は下側接地電極２７と同じでなくてもよい。
そして、あらかじめ凹部５１内に上側接地電極２８を形成した上側の蓋基板６０をシリコン基板５０に接着や直接接合等により接合することにより、密封されたマイクロ構造体１２がつくられる。このマイクロ構造体１２の内部はレゾネータの動作安定のため真空にすることが好ましい。
【００３０】
この実施形態によれば、固定電極２２と可動電極２４の上下に対称に配設した接地電極２７、２８によって、櫛歯状電極２２、２４の上下の空間で上下対称な電界分布が形成されるとともに、上下の力のバランスが保たれている。そのため、可動電極２４は常に中立位置を保ちつつ櫛歯の噛み合い方向（図６の紙面の表裏方向）に振動する。
また、外乱等により過大な駆動電圧が固定電極２２にかかった場合でも、可動電極２４に働く静電引力は上下対称な接地電極２７、２８によって常に上下の力のバランスが保たれているため、可動電極２４がいずれか一方の接地電極に接触しショートしてその櫛歯が破損するようなことは生じない。したがって、可動電極２４の動作（振動）の安定性、信頼性が向上する。
また、前述のように凹部５３や開口部５４を基板部分に設ける構造ではないので、強度面でも心配のない構造である。
【００３１】
実施の形態４．
図７は本発明の実施の形態４を示すマイクロ構造体の断面図で、同じく噛み合い状態にある櫛歯状の固定電極２２と可動電極２４の櫛歯部分の断面図である。前述したように、櫛歯状の固定電極２２と可動電極２４の上下における電界分布が等しくなるようにすれば、可動電極２４の上下方向の意図しない（望ましくない）運動を防ぐことができる。
この目的を達成するために、このマイクロ構造体１４は、櫛歯状の固定電極２２と可動電極２４の下方において、両電極２２、２４とほぼ同一の櫛歯パターンで、固定電極２２の下には電位補償用の制御電極７１を、可動電極２４の下には接地電極７２を、ポリシリコン膜により交互に絶縁膜５１上に形成したものである。すなわち、図６に示した下側の接地電極２７を櫛歯状電極２２、２４の櫛歯パターンに対応して分割し、固定電極２２の下方の電極を制御電極７１としたものである。
なお、制御電極７１および接地電極７２は、櫛歯状電極２２、２４とほぼ同一の幅ｂで形成されているが、これに限定されるものではない。制御電極７１は多少幅広く形成してもよい。また、制御電極７１および接地電極７２の高さｈは製造プロセス上、同じ高さとなっている。
【００３２】
図８は実施の形態４における制御回路図である。固定電極２２は可動電極２４を駆動するための駆動電源７３に接続されており、可動電極２４および接地電極７２はアースに接続し、さらに制御電極７１は駆動電源７３の信号と同期するように増幅器７４を介して駆動電源７３に接続されている。
この制御回路により、固定電極２２の下方の制御電極７１に、可動電極２４の駆動電圧（固定電極２２への印加電圧）と同期して、増幅器７４により設定された、ある倍率α＜１（例えば、駆動電圧の２０％）の電位を与える。これによって、櫛歯状電極２２、２４の下方における電界分布を制御することができるので、可動電極２４の上下方向の意図しない動きを防ぐことができる。
【００３３】
実施の形態５．
図９は本発明の実施の形態５を示すマイクロ構造体の平面図で、マイクロアクチュエータとして構成した例を示すものである。
このマイクロ構造体１６は、１組の櫛歯状電極２２、２４を備えた構成となっている。すなわち、櫛歯状の固定電極２２と可動電極２４は、前述のように、シリコン基板５０上より浮き上がった状態で櫛歯部２１、２３同士が平面的に噛み合っている。ここでは、櫛歯状可動電極２４は、両端支持の梁４７の中央部に一体的に形成されており、さらにロッド４８が櫛歯部２３と反対側に突設されている。
また、櫛歯状電極２２、２４の下方のシリコン基板５０には、図２と同様に、反電極側（下面側）に凹部５３が形成されている。また、図４に示したように、シリコン基板５０を上下に貫通する開口部としてもよい。なお、図９において、２５はリード部、２６は入力端子電極、４５は接地電極、４９は梁４７の支持部である。
【００３４】
このマイクロ構造体１６の動作は基本的に前述したとおりであり、櫛歯状の固定電極２２に駆動電圧を印加することにより固定電極２２と可動電極２４間に静電引力を発生させ、この静電引力によって両持ち式の梁４７に取り付けられた可動電極２４を振動させる。可動電極２４にはロッド４８が取り付けられているので、ロッド４８を往復運動させることができる。
したがって、このロッド４８に直接、または適当なリンク等を介して機能素子あるいは受動素子を連結すれば、例えば反射ミラーやレバーを動かすようなマイクロマシンをつくることができる。
また、可動電極２４の櫛歯の位置、すなわちロッド４８の変位は、駆動電圧の２乗に比例するので、センサやスイッチ等の機能を持たせることも可能となる。
【００３５】
実施の形態６．
次に、前述したマイクロ構造体の主に櫛歯状電極２２、２４の製造方法について図１０乃至図１３を参照しながら説明する。
まず、厚さ約５００μｍ程度の両面研磨されたシリコン基板８０の表面に、減圧気相成長（減圧ＣＶＤ）法により、厚さ０．５μｍの酸化膜（ＳｉＯ２）８１、およびその上に厚さ０．２μｍの窒化膜（ＳｉＮ４）８２をこの順に形成する（図１０（ａ））。なお、シリコン基板８０の代わりに、ＳＯＩ基板を用いてもよい。
【００３６】
次に、上記窒化膜８２の上に、減圧ＣＶＤ法により導電体となる厚さ０．２μｍのポリシリコン（ｐ−ＳｉＯ）膜８３を形成し、そのポリシリコン膜８３にフォトレジスト（図示せず）のパターニングを施した後、フレオンガス（ＣＦ４）などによるドライエッチングにより窓部８４を開ける（図１０（ｂ））。
ついで、そのポリシリコン膜８３上にリンガラス（ＰＳＧ）の犠牲層８５を２μｍの厚さに減圧ＣＶＤ法で形成する（図１０（ｃ））。
さらに、その犠牲層８５にレジストパターニングおよびウェットエッチングを施し、上記ポリシリコン膜８３の第１電極部８３ａ上に窓部８６を形成する（図１０（ｄ））。
ポリシリコン膜８３の第２電極部８３ｂは、図６に示した下側接地電極２７、あるいは図７に示した制御電極７１および接地電極７２を形成するための電極となる。なお、図７の制御電極７１および接地電極７２を形成するためには、犠牲層８５を施す前に、あらかじめレジストパターニングおよびウェットエッチングにより、ポリシリコン膜８３を櫛歯状電極２２、２４の各櫛歯の数と同じに分割しておく。
【００３７】
そして、この犠牲層８５上に、減圧ＣＶＤ法により櫛歯状電極２２、２４を構成することになる厚さ２μｍのポリシリコン膜８７を形成し、さらにそのポリシリコン膜８７上に厚さ０．３μｍのＰＳＧの犠牲層８８を形成する（図１１（ｅ））。
ついで、その犠牲層８８およびシリコン基板８０の下面にフォトレジスト８９、９０を施し（図１１（ｆ））、その後、このシリコン基板８０を裏返しにして、フレオンガス（ＣＦ４）によるドライエッチングにより、図１および図２に示した凹部５３をシリコン基板８０の裏面側に形成する（図１１（ｇ））。
このドライエッチングにより、部分的に基板部分が除去され、櫛歯状電極２２、２４の下方には酸化膜８１と窒化膜８２の部分だけが残る。
【００３８】
さらに、図４に示したように、上下に貫通する開口部５４とするためには、引き続きドライエッチングを行うことにより、まず酸化膜８１を除去し（図１３（ｇ−１））、その後窒化膜８２を除去する（図１３（ｇ−２））。
【００３９】
そして、フッ酸水溶液のウェットエッチングにより、パターニングされたフォトレジスト８９を通じて犠牲層８８をエッチングし、さらに犠牲層８８をマスクとしてポリシリコン膜８７をドライエッチングしていき（図１２（ｈ））、その後、フォトレジスト８９および９０、犠牲層８８および８５を除去する（図１２（ｉ））。また、基板全体を適切な温度で熱処理（エージング）する。
このようにして、図１２（ｉ）においては、ポリシリコン膜８７による櫛歯状電極２２、２４と、その電極下方における窒化膜８２上のポリシリコン膜８３による接地電極２７（図６参照）、および酸化膜８１下の凹部５３（図２参照）が形成される。
【００４０】
この製造方法によれば、凹部５３（または開口部５４）をシリコン基板８０の反電極面側にドライエッチングで形成してから、ポリシリコン膜８３を所要数に分割することにより、固定電極２２と可動電極２４の各櫛歯を形成するものであるので、櫛歯状電極２２、２４を損傷させることがない。
【００４１】
以上の実施形態で示したマイクロ構造体１０、１２、１４、１６は、可動電極２４の上下方向の意図しない（望ましくない）動きを防止し、本来の平面内の振動に規制する手段を設けたものである。したがって、本発明のマイクロ構造体は、かかる振動規制手段によって構成されているものと解すべきものである。
また、本発明のマイクロ構造体は、櫛歯状の固定電極と可動電極の平面的な振動を発生させるものであれば、その用途に限定されるものではない。例えば、時計、携帯電話機、パソコン、情報端末機器（ＰＤＡ）、家電製品、音響機器、その他の電子機器等、多方面に利用することができる。
また、ＩＣ等の半導体素子と一体的に結合することによりモノリシック化された電子マイクロデバイス（ＲＦ回路、局部発振回路、フィルタ回路等）としても本発明のマイクロ構造体を利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１によるマイクロ構造体の平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。
【図３】図２のＢ−Ｂ線断面図で、電界分布状態の従来例との比較図。
【図４】本発明の実施の形態２によるマイクロ構造体の断面図。
【図５】図４のＣ−Ｃ線断面図。
【図６】本発明の実施の形態３によるマイクロ構造体の断面図。
【図７】本発明の実施の形態４によるマイクロ構造体の断面図。
【図８】実施の形態４における制御回路図。
【図９】本発明の実施の形態５によるマイクロ構造体の平面図。
【図１０】本発明のマイクロ構造体の製造方法を示す工程図。
【図１１】図１０に続く工程図。
【図１２】図１１に続く工程図。
【図１３】図１１（ｇ）に続く工程図。
【符号の説明】
１０、１２、１４、１６ マイクロ構造体、２０ 送信側ＩＤＴ、２１ 櫛歯部、２２ 櫛歯状固定電極、２３ 櫛歯部、２４ 櫛歯状可動電極、２５ リード部、２６ 入力端子電極、２７ 下側接地電極、２８ 上側接地電極、３０ 受信側ＩＤＴ、３１ 櫛歯部、３２ 櫛歯状固定電極、３３ 櫛歯部、３４ 櫛歯状可動電極、３５ リード部、３６ 出力端子電極、４０ 共振部、４２ 梁部、４４ 片持ち梁、４５ 接地電極、４６ 支持部、４７ 梁、４８ ロッド、４９ 支持部、５０ シリコン基板、５１ 絶縁膜、５２ 接地電極、５３ 凹部、５４ 開口部、６０ 蓋基板、６１ 凹部、７１ 制御電極、７２ 接地電極、７３ 駆動電源、７４ 増幅器、８０ シリコン基板、８１ 酸化膜、８２ 窒化膜、８３ ポリシリコン膜、８３ａ 第１電極部、８３ｂ 第２電極、８４ 窓部、８５ 犠牲層、８６ 窓部、８７ ポリシリコン膜、８８ 犠牲層、８９、９０ フォトレジスト
Claims (11)
- シリコン基板上に設けられ、少なくとも１組の櫛歯状の固定電極と櫛歯状の可動電極の櫛歯同士を噛み合わせて平面的に振動させるマイクロ構造体において、
前記固定電極と可動電極の下方における前記シリコン基板に実質的に空間となる部分を設けたことを特徴とするマイクロ構造体。 - 前記空間部が、前記シリコン基板の反電極面側に設けられた凹部、または前記シリコン基板を上下に貫通するように設けられた開口部であることを特徴とする請求項１記載のマイクロ構造体。
- シリコン基板上に設けられ、少なくとも１組の櫛歯状の固定電極と櫛歯状の可動電極の櫛歯同士を噛み合わせて平面的に振動させるマイクロ構造体において、
前記固定電極と可動電極の上下に対称に接地電極を設けたことを特徴とするマイクロ構造体。 - 凹部を設けた基板を前記シリコン基板に接合し、前記基板の凹部底面に他方の接地電極を設けたことを特徴とする請求項３記載のマイクロ構造体。
- シリコン基板上に設けられ、少なくとも１組の櫛歯状の固定電極と櫛歯状の可動電極の櫛歯同士を噛み合わせて平面的に振動させるマイクロ構造体において、
前記可動電極を駆動する駆動信号に同期する制御電極を前記固定電極のそれぞれの下方に配設したことを特徴とするマイクロ構造体。 - フレーム状の梁部の両側に前記可動電極を設け、該可動電極のそれぞれに前記固定電極を平面的に噛み合わせてなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のマイクロ構造体。
- 前記可動電極を両端支持の梁に設け、該可動電極の櫛歯部と反対側にロッドを突設したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のマイクロ構造体。
- シリコン基板上に設けられ、少なくとも１組の櫛歯状の固定電極と櫛歯状の可動電極の櫛歯同士を噛み合わせて平面的に振動させるマイクロ構造体の製造方法において、
前記シリコン基板上にポリシリコン膜を形成する工程と、
前記固定電極と可動電極の下方における前記シリコン基板の反電極面側に凹部を形成する工程と
その後、前記ポリシリコン膜を所要数に分割することにより、前記固定電極と可動電極の各櫛歯を形成する工程と、
を有することを特徴とするマイクロ構造体の製造方法。 - 前記凹部は、ドライエッチングにより形成されることを特徴とする請求項８記載のマイクロ構造体の製造方法。
- シリコン基板上に設けられ、少なくとも１組の櫛歯状の固定電極と櫛歯状の可動電極の櫛歯同士を噛み合わせて平面的に振動させるマイクロ構造体の製造方法において、
前記シリコン基板上にポリシリコン膜を形成する工程と、
前記固定電極と可動電極の下方における前記シリコン基板の部分を貫通する開口部を形成する工程と
その後、前記ポリシリコン膜を所要数に分割することにより、前記固定電極と可動電極の各櫛歯を形成する工程と、
を有することを特徴とするマイクロ構造体の製造方法。 - 前記開口部は、ドライエッチングにより形成されることを特徴とする請求項１０記載のマイクロ構造体の製造方法。
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|---|---|---|---|---|
| EP1693339A1 (en) | 2005-02-16 | 2006-08-23 | Seiko Epson Corporation | MEMS device and manufacturing method of MEMS device |
| JP2009085729A (ja) * | 2007-09-28 | 2009-04-23 | Aoi Electronics Co Ltd | センサ素子および物理センサ装置 |
| JP2013021208A (ja) * | 2011-07-13 | 2013-01-31 | Dainippon Screen Mfg Co Ltd | 基板処理方法および基板処理装置 |
-
2003
- 2003-03-18 JP JP2003073545A patent/JP2004276200A/ja not_active Withdrawn
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