JP2004502146A - 電子超小型部品ならびに該電子超小型部品を内蔵したセンサ及びアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】半導体基板ウェーハにより形成され、互いに動くことのできる固定部分と可動部分とを有する電子超小型部品を提供する。
【解決手段】前記超小型部品の各部分は、前記主ウェーハの表面に対して垂直な複数のプレートを有し、前記可動部分の該プレートは、前記固定部分の該プレート間に拡がっており、前記固定部分の前記プレートは、前記主ウェーハの表面に対して概ね平行な境界線によって制限された等電位領域を示し、前記可動部分の前記プレートは、休止時は、前記固定部分の該等電位領域と対面する表面を越えて拡がりつつ部分的に重なる該等電位領域を有するので、前記固定部分及び前記可動部分の前記プレートの、前記等電位領域に印加される電位差が、前記等電位領域の対面する表面積の変化、及び前記可動部分の前記プレートの変位を前記主ウェーハの表面に対して垂直に生じさせる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロエレクトロニクスの分野及びより具体的には機械的マイクロシステムに関する。本発明は更に具体的には、前記基板により形成され基板の面に対して垂直に動くことのできる超小型部品に関する。前記超小型部品は、アクチュエータ又は慣性センサの製造に適用される。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン半導体製造技術を用いてセンサ又はマイクロアクチュエータを形成することは既知である。半導体ウェーハに形成されるこの型のセンサ又はマイクロアクチュエータは、固定されている基板の残りの部分に対し、可動部分を有する。
【０００３】
前記可動部分は、いくらかのたわみを持たせ、よって前記固定部分に対する前記可動部分が変位されるよう、厚さが少ない部分で前記基板の残りの部分と連結されている。これらの装置がセンサとして用いられるとき、受ける加速によって前記固定部分に対する前記可動部分が変位される。この変位は、前記固定部分及び前記可動部分が対面する表面積の変化を生じさせる。よってこの変化は、結果的に前記固定部分及び前記可動部分の間で測られる電気キャパシタンスの変化となる。よって、このキャパシタンスの変化の検出は、前記受けた加速の反映を表す。
【０００４】
逆に、これら装置がアクチュエータとして用いられるときは、前記固定部分と前記可動部分との間に電位差が印加される。この電位差は、前記固定部分に対する前記可動部分の、吸引力又は反発力、つまり前記可動部分の動きを生じさせる。
【０００５】
そのような装置を形成するために、様々な方法が既に考慮されてきている。米国特許第６，０３２，５３２号は、２つのインターデジットされた櫛形ネットワークを有するセンサを開示する。これら２つのネットワークは、対面する表面積が最大となる２つのキャパシタンスプレートを形成する。前記櫛のうち２つは、前記固定部分と一体であり、前記可動部分の２つの櫛を貫通する。
【０００６】
前記可動部分は、前記基板プレートにおいて自由度を有し、前記可動部分と前記固定部分との間に印加される電圧は、前記対面する表面積、及び前記電位差の２乗に比例する静電力を発生させる。これらの櫛は表面又は体積の微細加工と、その後の前記可動部分の下部層の溶解による除去によって得られる。
【０００７】
そのようなシステムの主な問題点は、前記可動部分が前記主ウェーハ表面に対応する面でしか動くことができないということである。
【０００８】
更に、前記可動部分に印加される圧力の強度は、主ウェーハ表面に対して垂直に測られた各櫛の歯が比較的薄いため、制限される。
【０００９】
深加工及びＳＯＩ（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）技術の進歩は、除去が前記絶縁層の溶解により得られる小ピッチの大きな垂直壁を作ることによりそのようなシステムの改良を可能にした。しかし、この技術は動きの向きを前記主ウェーハ表面の面に対して平行な面に制限してしまう。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、従来の方法を応用した製造技術を使用しつつ、充分な圧力強度で、ウェーハ面に垂直な方向に前記可動部分を変位させることを可能にすることである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
よって本発明は、半導体基板ウェーハ等により形成され、互いに動くことのできる固定部分と可動部分とを有する電子超小型部品に関する。
【００１２】
この超小型部品は、
各部分は、前記主ウェーハの表面に対して垂直な複数のプレートを有し、前記可動部分の該プレートは、前記固定部分の該プレート間に拡がっており、
前記固定部分の前記プレートは、前記主ウェーハの表面に対して実質的に平行な境界線によって制限された等電位領域を示し、
前記可動部分の前記プレートは、休止時は、前記固定部分の該等電位領域と対面する表面を越えて拡がりつつ部分的に重なる該等電位領域を有するので、前記固定部分及び前記可動部分の前記プレートの、前記等電位領域に印加される電位差が、前記等電位領域の対面する表面積の変化、及び前記可動部分の前記プレートの変位を前記主ウェーハの表面に対して垂直に生じさせる。
【００１３】
つまり、各部分は、櫛形に配置された垂直のプレートのセットを有する。前記プレートは、前記ウェーハ面における外形の定義については概してリソグラフ法により形成され、その後、基板の厚さに渡る物質の完全な異方性除去を可能にする、深い選択的なエッチングによって形成される。
【００１４】
前記固定プレート及び前記可動プレートは、それらの構造のため部分的に向き合う等電位領域及び空間的にシフトされた等電位領域を有する。それによって、前記２つの等電位領域間における電圧の印加は、対面領域の表面積を最小化又は最大化させるために前記２つのプレートを近づけたり遠ざけたりする傾向のある静電力を発生させる。逆に、前記可動部分が動作を行うと、前記可動プレートの該等電位領域は、前記固定プレートの該等電位領域に対して移動するので、これら２つの等電位領域で計測される電気キャパシタンスは変化する。つまり、前記ウェーハ面に対して行われる垂直な動作は、結果的に電気信号の変化となる。
【００１５】
それによって、加速に反応し、前記ウェーハ面に対して垂直な部品を有するセンサが形成される。逆に、本発明によるアクチュエータは、前記ウェーハ面に対して垂直に構成部分（ｏｒｇａｎ）を動かすことを可能にする。
【００１６】
実際には、前記可動部分の前記プレートは、前記主ウェーハの表面に対して垂直に測られた高さを有することが好ましく、該高さは前記固定部分の前記プレートの高さより低い。
【００１７】
つまり、前記可動部分の前記プレート又はプレートが垂直に動くとき、それらは、下方基板表面より下には拡がらずに、前記固定部分の前記プレートによって規定された容積内に留まる。
【００１８】
前記可動部分のプレート間又は前記固定部分のプレート間における高さの差は、前記固定部分に対する前記可動部分の理論最大行程とほぼ対応する。
【００１９】
好ましい形態において用いられる基板は、積層されており、前記固定部分の前記プレートの前記等電位領域の境界として用いられる絶縁層と、該絶縁層により分けられた２つの導電層の、少なくとも３つの層を有する。つまり、前記等電位領域の定義は、前記積層基板の前記絶縁層の存在により決定される。一般的に、前記基板は、半導体基板であるが、異なる性質の基板、具体的には磁器を有する基板からも同等の超小型部品を得ることができる。
【００２０】
よって、前記可動部分の前記プレートの高さにおいては、等電位領域を形成するために少なくとも２つの導電層が電気接続されてもよい。よって、積層された基板の前記絶縁層が前記固定プレート及び前記可動プレート上にあるため、導電領域を前記固定部分の導電領域の形状とは異なる形状に相互接続することによって、前記可動プレートの前記等電位領域に所望される形状を与えることが可能となる。よって、前記半導体基板が単一の絶縁領域を有する最も簡素な形状において、前記可動プレートの該２つの導電領域は、プレートの高さに渡って拡がる等電位領域を形成するために接続されている。この場合、前記基板の該導電層のうち１つが、前記固定部分上の等電位領域として選択される。
【００２１】
既に述べられたように、本発明の超小型部品は、慣性センサ（つまり、位置又は加速センサ）を形成するのに用いられてもよい。該位置又は該加速情報は、前記固定及び又は前記可動部分の等電位領域間で計測された電気キャパシタンスの変化の反映を表したものである。
【００２２】
そのような超小型部品は、前記可動部分と共に動く構成部分を動かすためのアクチュエータを形成するのに用いられてもよく、該アクチュエータアセンブリは、前記固定部分及び前記可動部分のプレートの前記等電位領域の間に電位差を印加する手段を有する。よって、前記固定部分及び前記可動部分の等電位領域が垂直に移動すると、好ましい電圧の印加は、垂直の動作又はより一般的には前記基板の面に対して垂直の動作を生じさせる。
【００２３】
具体的な形状において、前記アクチュエータは、前記動作を生じさせる電位差を印加する手段を制御するための、前記固定部分及び前記可動部分の前記プレートの相対的な位置を決定する手段を更に含んでもよい。つまり、そのようなアクチュエータは、前記プレート間のキャパシタンスの変化を測定し、それによって、所望される変位を得るために印加される電位差を制御することによって、閉ループで動作させられてもよい。
【００２４】
本発明の実現及び本発明による利点は、添付図面に関連して、以下の実施形態の説明において明らかにされる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
既に述べられているように、本発明は、半導体ウェーハ１により形成される電子超小型部品に関する。この型のウェーハ１は、例えばＳＯＩの略称で知られる基板、つまりシリコン・オン・インシュレータ等の積層された基板である。
【００２６】
図２に示されているように、そのような基板１は、中間の絶縁層３に比べて厚さのある２つの導電層を有する。
【００２７】
図１に示されるように、そのようなマイクロプロセッサは、固定部分１１と可動部分１０とを有する。固定部分１１は、基板１の残りの部分と一体化している。可動部分１０は、厚さが少ない領域１２、１３によって前記基板の残りの部分と接続されている。前記厚さが少ない部分１２、１３は、前記可動部分１０の中央部分１４の動きを可能にするためのたわみ及び歪みを有する。
【００２８】
前記可動部分１０の中央部分１４は、その側面の１つに前記基板の主表面５に対して平行なプレート２０を有する。プレート２０の数は、所望される応用によって選択されてもよい。補足として、前記固定部分１１は、前記可動部分１０に向けられ、かつ、前記基板の前記主表面の面５に垂直に向けられた、複数のプレート２１を含んでもよい。
【００２９】
前記固定部分１１の前記プレート２１は、前記可動部分の各前記プレート２０の間に規定される空間に一部貫通する。よって、前記固定部分の前記プレート２１及び前記可動部分の前記プレート２０は、比較的大きい対面する表面積を有する。
【００３０】
図２及び図４に示されるように、前記固定部分の前記プレート２１は、基板の高さに渡って拡がる。しかし、前記可動部分１０の前記プレート２０は、前記主基板の表面の面５に対して垂直に測られ、前記固定部分の前記プレート２１より低い高さを有する。
【００３１】
更に、前記基板の前記絶縁層３は、前記固定プレート２１及び前記可動プレート２０の両方において、前記２つの導電層２、４の間に境界を形成する。よって、前記プレート２１の領域２４及び領域２５は、電気的に絶縁された等電位領域を形成する。逆に、本発明によると、前記固定部分上において前記絶縁層３の両側に位置する領域２６及び領域２７は電気接続されている。前記可動部分１０から前記固定部分１１を電気的に絶縁するために、前記導電層２、４の電気的導通が遮断される。よって図１に示されるように、例えば、前記絶縁層３に届くように深さ方向に拡がり、たわみ部分周辺に溝（ｒｏｕｔｅｒｉｎｇ）を形成する切り込み（ｅｔｃｈ）１５、１６が提供されてもよい。それによって、上部導電層２は、前記固定部分（１１）及び前記可動部分（１０）の間で遮断される。前記下部層の遮断も、同様の、又は異なる方法で得られることができる。
【００３２】
それによって、前記可動プレート２０の領域２６、２７は、該可動プレート２０に渡って拡がる１つの等電位領域を形成する。前記可動プレート２０と前記固定プレート２１との高さの差のため、前記固定部分の領域２６、２７から形成される等電位領域は、前記固定プレート２１の領域２５と部分的に重なっている。
【００３３】
それによって、前記固定プレート２１及び前記可動プレート２０の等電位表面２６、２７及び２５は、そこに電位差が印加されたとき静電力が位置する場所である。よって、前記等電位表面２６、２７及び２５に電位差が印加されるとき、静電力は、システムを図３に示される形状にするために、これら等電位領域の対面する表面積を拡大する傾向がある。前記可動プレート２０は、前記基板に対して垂直の動作を行ったことが分かる。実際には、前記垂直の動作は、半径が前記固定部分１１に対する前記可動部分１０の結合部分の形状による、円の弧を表す。この種の現象は、前記固定部分１１に対する前記可動部分１０の動作が制御されるアクチュエータの動作に対応する。
【００３４】
前記超小型部品のセンサとしての動作において、前記可動部分１０の動作、よって前記固定プレート２１に対する前記可動プレート２０の動作は、前記可動プレート２０の等電位領域２６、２７と、前記固定プレート２１の等電位領域２５との間の電気キャパシタンスの変化を起こさせる。この電気キャパシタンスの該変化は、計測することができ、前記プレート２１に対する前記プレート２０の動作の振幅、よって行われた動作の加速の振幅、の反映を表したものを提供する。
【００３５】
前記アクチュエータの動作は、前記等電位領域２６、２７及び２５の間の電気キャパシタンスを定めることによる、発生した動作の振幅を測定する規定の手段により向上することができる。このキャパシタンス測定は、機械的動作を起こす電圧の周波数とは異なる特定の周波数領域において行われることができる。
【００３６】
もちろん、本発明は、図１から図５に示される幾何学的形状に限定されるものではく、前記固定部分が厚さの少ない部分で前記基板に結合されてはいないが曲げるのに充分な長さを持つ、他の選択肢も含まれている。
【００３７】
同様に、本発明は、単一の絶縁層を有する基板の使用に限定されるものではなく、前記基板が、部分的に重なる前記可動プレートと前記固定プレートとの間で移動された等電位領域を規定するため電気的に相互接続された、２つより多くの導電層の定義を可能にする、複数の絶縁層を有する他の選択肢も含む。
【００３８】
実際には、本発明による前記超小型部品は、深加工技術により得られる。よって、最初のステップでは、前記基板のどちらかの表面に前記可動部分及び前記プレート櫛の外形が規定される。異なる固定部分及び可動部分の間のまっすぐな側面及び壁をできるだけ直線に規定するために異方性プラズマエッチングが行われる。その後、前記可動プレート２０の下方表面の高さにおける切り込みが、前記可動プレート２０の高さを下げるために行われ、よって等電位領域間の位置のずれが生じる。
【００３９】
【発明の効果】
以上述べたことは、本発明による前記超小型部品及びそのアクチュエータ又はセンサへの応用は、多くの利点があるということと、また、基板の面に対して垂直な面に沿った動作又は検出を可能にする利益とを示している。
【００４０】
前記対面部分の大きな表面積は、大型の構成部分を動かすのに充分な圧力を得ることを可能にする。例としては、光スイッチングの分野で用いられる直径数ミリメートルの、表面積が大きい可動マイクロミラー（ｍｏｂｉｌｅ ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒｓ）が挙げられる。
【００４１】
本発明はまた、慣性センサの分野において具体的に応用されることができる。従来、三方向集積センサの形成は、双方向センサを２つ組み合わせることによってのみ可能であった。よって、１つの基板上に三方向センサを形成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明により形成された超小型部品の例の上面図である。
【図２】図１の面ＩＩ−ＩＩ’の部分的断面図である。
【図３】前記可動部分が前記固定部分に対して動く図２の断面図に対応する。
【図４】図１の面ＩＶ−ＩＶ’の部分断面図である。
【図５】前記可動部分が前記固定部分に対して動作を行う図４の断面図に対応する。
【符号の説明】
１　半導体基板ウェーハ
２、４　導電層
３　絶縁層
５　主ウェーハの表面
１０　可動部分
１１　固定部分
１２、１３　厚さが少ない部分
１４　中央部分
１５、１６　切り込み
２０、２１　プレート
２４、２５、２６、２７　等電位領域

Claims (5)

1. 絶縁層（３）と、該絶縁層によって分けられる第１及び第２
   導電層（２、４）との、少なくとも３つの層を有する半導体基板ウェーハ（１）から形成される電子超小型部品であって、該超小型部品は、固定部分（１１）及び相互に動くことのできる可動部分（１０）の２つの部分を有し、
   各部分は、前記主ウェーハの表面（５）に対して垂直な複数のプレート（２０、２１）を有し、前記可動部分（１０）の該プレートは、前記固定部分（１１）の該プレート（２１）の間に拡がっており、
   前記固定部分（１１）の該プレート（２１）は、前記基板の厚さに渡って実質的に拡がっており、それらの部分（２４）は、同一の第１電圧にある前記第１導電層に対応しており、またそれらの部分（２５）は、同一の第２電圧にある第２導電層に対応しており、
   前記可動部分（１０）のプレート（２０）は、少なくとも前記第１導電層の厚さに渡って拡がっており、かつ全てが同じ電圧にある
   ことを特徴とする電子超小型部品。
2. 前記可動部分のプレート（２０）は、前記第１導電層の厚さ、及び前記第２導電層の厚さの一部に渡って拡がっており、該可動プレートのセットが同じ電圧であることを特徴とする請求項１に記載の超小型部品。
3. 請求項１又は２に記載の超小型部品を有する位置又は加速センサであって、該位置又は該加速の情報は、前記固定部分及び又は前記可動部分の等電位領域間で計測された電気キャパシタンスの変化の反映を表したものであることを特徴とする位置又は加速センサ。
4. 構成部分を動かすためのアクチュエータであって、
   該構成部分が前記超小型部品の前記可動部分と共に動くことを特徴とする請求項１又は２に記載の超小型部品と、
   前記固定部分及び前記可動部分の前記等電位領域間に電位差を印加する手段と　を含むことを特徴とするアクチュエータ。
5. 請求項４に記載のアクチュエータであって、該アクチュエータは、前記電位差を印加する手段を制御するために、前記固定部分及び前記可動部分の前記プレートの相対的な位置を決定する手段を更に有することを特徴とするアクチュエータ。